主要观点总结
这篇文章描述了不同物种的质子感知受体GPR4在感知和调节酸碱平衡中的重要作用。通过对多种物种的研究，揭示了质子感知机制、结构特点和适应环境的进化过程。同时，文章还提到了不同物种GPR4感知最适pH值和进化的多样性，并重点介绍了爪蟾属GPR4的特殊性及其在适应极端水生环境中的重要作用。
关键观点总结
关键观点1: 质子感知受体GPR4的功能
GPR4是G蛋白偶联受体，负责监测细胞外pH值变化，对维持机体内稳态至关重要。它在血液pH调控、酸碱平衡、呼吸调节等方面发挥核心作用。
关键观点2: 不同物种GPR4的共性机制和适应性机制
研究发现，不同物种的GPR4具有共性机制，即通过特定组氨酸残基的质子化来感知质子。然而，不同物种也通过GPR4的适应性演化来适应不同的栖息地或生活方式，导致血液pH值的变化。
关键观点3: 非洲爪蟾GPR4的特性
非洲爪蟾的GPR4在酸性环境下活性更强，这种特性与其全水生生活方式和长时间潜水能力直接相关。研究揭示了其独特的结构特点，如特异性的组氨酸位点，通过质子化与氢键网络的形成触发GPR4的激活。
关键观点4: GPR4与呼吸调节的关系
GPR4作为中枢化学感受器的重要组成部分，负责检测血液中H+浓度变化，调节呼吸以应对血液中CO2水平的变化。当GPR4功能受损时，小鼠的CO2刺激呼吸反应显著减弱，表现为呼吸频率和潮气量的减少。
关键观点5: 专家评价
多位专家对这项研究给予了高度评价，认为它深化了人们对GPR4功能和演化的理解，为探索脊椎动物在极端环境适应中的潜力提供了重要的理论依据。
正文
点评 | 曹彬（首都医科大学）、李家堂（中国科学院成都生物研究所）、陈宇鹏（天津医科大学）、邱强（西北工业大学）质子（Protons）是一种带正电的小粒子，是原子核的重要组成部分，广泛存在于自然界。在溶液中，它们通常以氢离子（H⁺）的形式存在，并会和水分子结合形成水合离子。它们的反应性通过pH值（反映自由质子浓度）来表示。在生物化学反应中，质子梯度是许多反应速率的关键决定因素。在包括人类在内的所有生物中，质子梯度在建立线粒体膜的电化学电位中起着至关重要的作用。该电位的场密度达到每米720万伏特，远远超过闪电电场的两倍。这一巨大的电位对于ATP的生成至关重要，而ATP的生成则是细胞能量供应调控的核心过程。
人类通过调节呼吸速率和肾脏功能，维持稳定的血液pH值，通常在7.32到7.42之间。为了满足日常能量需求，线粒体中的质子与碳酸氢盐缓冲系统相互作用，生成大量的二氧化碳（CO2）。这些CO2随后通过血液运输，最终通过呼吸排出或以肾酸形式由肾脏排泄。这些过程由质子感应受体（如GPR4）精密调控，确保了生理pH水平的稳定，进而保障了细胞功能的正常运作和整体健康。在进化过程中，动物不断发展出适应其栖息地（如海洋、河流、热带雨林、高原和沙漠等）的生理机制，以应对不同环境中质子浓度的变化。为了维持正常生命活动，动物通过离子通道或GPR4等GPCR监测细胞外质子浓度的变化，并将这些信息传递给细胞，从而促使其作出相应的生理反应。GPR4起源于软骨鱼（银鲛），在调节呼吸频率、肾脏功能以及恢复pH平衡方面发挥了重要作用。同时，GPR4也在心血管系统中表达，并起到保护作用。尤其值得一提的是，不同于传统的GPCR配体，质子特别小，所以可能会有很多个受体的结合位点。所以，至今关于GPR4如何感知质子的分子机制，以及动物如何进化以适应不同环境中的质子浓度变化，仍不完全清楚。2025年1月2日，山东大学基础医学院孙金鹏教授团队、易凡教授团队联合四川大学邓成教授团队，在Cell在线发表了研究论文Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4。该研究从进化、功能和结构角度，阐释了不同物种GPR4在质子感知中的共同机制以及物种特异性的独特机制，进一步描述了特定的质子感知GPCR是如何进化以适应不同生物的不同生活方式。
追溯GPR4的进化，可以发现它存在于哺乳动物、爬行动物、两栖类动物和鱼类中，但在鸟类中缺失。研究团队对不同的物种血液pH进行了测量，以及分析了不同脊椎动物物种中GPR4质子感知范围及其下游Gs-cAMP活性。结果发现两栖动物中的牛蛙以及爪蟾等具有偏酸的最适pH范围。重要的是，研究发现GPR4的活性最佳pH值与不同物种的血液pH值范围呈正相关 (图2)。非洲爪蟾GPR4（xtGPR4）经受了正选择压力，表现出最酸性的最优pH范围，这可能与其长期潜水能力及几乎完全水生的生活方式相关。多数现存的两栖动物，如蟾蜍和蛙类，仍然是半水生的，而非洲爪蟾（Xenopus）则几乎完全水生。这些半水生两栖动物可以自愿潜水长达1.5小时甚至更久，但在潜水后并未表现出过度通气现象，而爪蟾则可以潜水长达14小时且不会发生呼吸性酸中毒。于是推测，美洲牛蛙（R. catesbeiana）GPR4（rcGPR4）和热带非洲爪蟾（X. tropicalis）GPR4（xtGPR4）之间的最优pH差异可能与它们的潜水能力相关，从而支持其不同的生活方式。随后，研究者们解析了热带非洲爪蟾（xtGPR4）和小鼠（mmGPR4）在不同pH条件下的受体单体或与Gs三聚体复合物的冷冻电镜结构。通过观察xtGPR4和mmGPR4在不同pH条件下的7个冷冻电镜结构并结合功能分析，研究发现，在不同的进化相关物种中存在共同的质子感知和质子诱导的GPR4激活机制。两个在进化上保守的组氨酸，在GPCR七次跨膜的ECL2（暴露于溶剂）中的H165xtGPR4/H167mmGPR4和连接ECL2的中上TM区域的H276xtGPR4/H271mmGPR4，被确定为pH诱导GPR4激活的两个关键质子传感器。这两个His质子化到HIP态（咪唑环上的两个氮都被质子化，咪唑基带正电荷），使得这些残基充当氢键供体并构成新的极性网络（图3），这导致ECL2的重排以及ECL2和7TM区域变得更加紧密地结合。图3 最适pH下小鼠和爪蟾GPR4关键H的周围相互作用随后，这些结构改变通过保守传播路径传播到“拨动开关”Y/F6.48位置。经过序列比较和物种分析，这2个关键的H及其形成的极性网络，是不同物种GPR4质子感知和激活的共同机制。尽管具有共同的质子感应机制，但不同物种的GPR4通过独特的质子感应机制进化。例如，H159ECL2-45.51仅存在于xtGPR4中，而不存在于哺乳动物或其他物种中，这表明了一种独特的进化途径。重要的是，H159ECL2-45.51的质子化使H159ECL2-45.51和E156ECL2-45.48之间以及H159ECL2-45.51和S171ECL2-45.53之间形成极性网络是xtGPR4在酸性条件下活化的必要条件。此外，受到选择压力的位点突变结果表明， S171.32和E156ECL2-45.48可能在xtGPR4活性相对酸性的最佳pH范围中发挥着重要作用。综上所述，此项研究揭示了GPR4在进化过程中如何适应周围环境和pH，感知质子和调节酸碱平衡，发现了多种物种血液pH与GPR4活性最佳pH成正相关。同时阐释了不同物种中质子化诱导GPR4激活的共同机制和独特的适应机制，对质子感知受体如何激活和传递提供了相关见解。山东大学高等医学研究院博士后文鑫，山东大学基础医学院博士后尚攀，四川大学华西医院博士后陈海迪，山东大学高等医学研究院研究员郭璐璐，山东大学基础医学院博士生荣乃康，蒋晓钰，硕士生李瑄和中南大学湘雅医院博士生刘俊彦为本文的共同第一作者；山东大学基础医学院/高等医学研究院孙金鹏教授、四川大学华西医院邓成教授、山东大学基础医学院杨帆教授、张鹏举教授、易凡教授为本论文共同通讯作者。孙金鹏教授团队长期从事膜受体GPCR的细胞信号转导和微观环境药理学研究，在GPCR对痒觉，嗅觉，味觉，听觉、机械力等感觉的感知机制中取得了系列成果：揭示了痒觉受体的内源性配体和独特的激活模式（Nature. 2021;600(7887):164-169）；阐释了黏附类受体对力的感知机制并发展了多肽激动剂和拮抗剂（（Nature. 2022a 604(7907):771-778;Nature. 2022b 604(7907):763-770）;解析了嗅觉受体对气味的感知机制(Nature. 2023 Jun;618(7963):193-200);发现了黏附类受体LPHN2在毛细胞表达，参与了听觉和平衡的调控，是平衡所必须的，为眩晕和听力障碍的治疗提供潜在的新的治疗途径(Cell Res. Accepted)。山东大学易凡教授长期从事GPCR在肾脏中的功能和调控机制，并于孙金鹏教授长期合作，揭示了肾脏中黏附类GPCR GPR97在急性肾损伤中促炎并加重肾损伤的机制及其内源性配体糖皮质激素（Nature, 2021a; 589: 620-626，J Am Soc Nephrol. 2018; 29:1475-1489），还揭示氧化型胆固醇受体GPR183促进内皮衰老及心肾损伤的新机制及干预策略（Circ Res. 2024 Sep 13;135(7):708-721）。四川大学华西医院的邓成教授长期从事GPCR的达尔文医学-分子进化与生理功能适应及其药物开发，与四川大学华西医院邵振华教授团队合作阐明S1PR1-Gi偏向性激动剂的结构口袋的起源，偏向性激动剂SAR247799通过调控血管内皮屏障功能，保护包括溃疡性结肠炎，肺纤维化等内皮相关疾病（Nature communication,2024 accepted）；揭示了NPYR受体在不同物种之间经历的功能适应性演化，阐明神经肽识别和激活受体的分子基础（MedComm,2024 Jun 15;5(7) :e565）；GPR15–C10ORF99 功能配对启动了羊膜动物中的第一个结肠 Treg 归巢反应（EMBO rep (2021)23: e53246）。曹彬（首都医科大学中日友好医院副院长，教育部长江学者，国家杰青，国家科技领军人才，新基石研究员）质子感知受体是一类跨膜G蛋白偶联受体，专门负责感知细胞外的酸性pH值。在人体中，不同组织的胞外pH值存在差异，如血液的pH值在7.35至7.45之间，胃液的pH值在0.8至1.5之间，而小肠液的pH值在7.5至8.0之间。这种pH值的差异是为了适应各组织的生理功能，维持机体的正常运转。相应地，各种组织细胞进化出了适应不同pH值的存活机制。近日，山东大学孙金鹏、易凡以及华西医院的邓成等合著的文章揭示了一个有意思的现象：就像各种组织细胞适应胞外不同pH值一样，不同物种通过质子感知受体GPR4的演化，适应了不同栖息地或生活方式导致的血液pH值的变化差异。具体而言，各物种通过GPR4上165和276位点的组氨酸残基介导保守的质子传感功能，而全水栖物种爪蟾的GPR4中新出现的159位组氨酸残基等使得其活化pH值较其他物种，如人、小鼠，及半水栖物种林蛙类，明显降低，这使得爪蟾能够适应长时间潜水生活带来的二氧化碳堆积。这篇关于质子感知受体GPR4在呼吸调控、演化以及结构基础方面的研究成果，无疑为生物学和临床医学领域带来了令人兴奋的新视角。这一发现不仅深化了我们对呼吸调控机制的理解，丰富了对动物适应极端环境机制的认识，也为研究人类在高海拔、深海等极端环境下的生理反应和适应机制提供了借鉴。此外，呼吸系统疾病常导致血液酸碱度失衡，如重症肺炎、肺纤维化、肺栓塞等可导致呼吸衰竭，血液中氧分压降低，二氧化碳分压升高，pH值降低。质子感知受体GPR4在血管内皮细胞中高表达，并在感知血液pH值变化、呼吸调节等方面发挥作用。报导中对GPR4感知质子的结构基础进行了深入解析，有助于未来开发针对GPR4的药物或疗法，用于治疗与呼吸调控、酸碱平衡相关的疾病，为患者带来新的治疗选择和希望。李家堂（中国科学院成都生物研究所副所长（主持工作），研究员）质子感知受体（GPR4）是一类重要的G蛋白偶联受体，负责监测细胞外环境中的pH变化，对机体内稳态的维持至关重要。GPR4广泛分布于血管内皮、肾小管上皮等组织，其主要功能是通过感知质子浓度的变化，调节酸碱平衡与相关的生理过程。在哺乳动物中，GPR4不仅在血液pH调控中扮演核心角色，还参与调节碳酸氢盐重吸收、质子排泄及血管微循环等关键生理活动，保障细胞功能的正常运行。尽管其生物学功能已经有了初步的研究，但对GPR4如何感知质子并启动信号通路的分子机制了解有限，阻碍了人们全面认识其在酸碱平衡调节及病理状态中的潜在价值。近日，山东大学孙金鹏教授和易凡教授团队联合四川大学邓成教授团队，通过对哺乳动物和两栖动物GPR4质子感知机制的深入研究，从分子、结构及演化层面揭示了这一受体如何通过特定机制感知酸碱环境。这项研究发现了GPR4在血液pH值调控中的共性机制及物种特异的适应性变化，进一步丰富了我们对GPR4功能和演化的理解，并为探索其在极端环境适应中的潜力提供了重要的理论依据。我对本项研究中非洲爪蟾（Xenopus）的相关发现尤为关注。两栖类动物作为最早适应陆地生活的脊椎动物类群，其生理适应策略兼具水生与陆生环境的特点。本研究揭示了非洲爪蟾GPR4（xtGPR4）的质子感知机制与其全水生生活方式之间的深刻联系。研究表明，xtGPR4在更酸性环境下的活性更强，其最佳pH值范围与爪蟾血液的正常pH值范围高度契合，这种特性显然与爪蟾长时间潜水生活所需的酸碱适应能力直接相关。更重要的是，该研究首次解析了xtGPR4的独特结构特点，例如特异性的组氨酸位点（H159），通过质子化与氢键网络的形成，触发GPR4的激活。这种特异性机制揭示了两栖动物在长期进化过程中对水生环境的适应，为理解两栖类动物的生理进化提供了新的视角。这项研究不仅揭示了GPR4的物种特异性适应模式，还突显了非洲爪蟾这一模式生物的应用潜力。研究结果表明，爪蟾能够通过GPR4感知并适应潜水过程中因二氧化碳积累导致的酸性环境，而这在半水栖蛙类中并不显著。结合冷冻电镜技术对xtGPR4的结构解析及其下游信号通路的研究，该工作解析了两栖动物协调酸碱平衡以适应复杂环境的分子基础，并为探索其他两栖类动物的极端环境适应能力开辟了新的研究范式。同时，这项研究不仅在学术意义上推动了两栖动物进化研究的前沿，还为未来在环境生物学、气候变化影响评估等领域中的两栖类保护研究提供了科学支持。生物体通过感知、分析和响应内外环境的刺激，维持内稳态并适应复杂多变的外部环境。酸碱平衡的维持是肾脏调节内稳态的重要功能，而质子感知受体GPR4在这一过程中起到了关键作用。作为一种G蛋白偶联受体，GPR4广泛分布于肾脏血管内皮细胞和肾小管上皮细胞，通过感知外界pH变化调控质子排泄、碳酸氢盐重吸收以及血管微循环。然而，目前关于GPR4如何感知质子并传递信号的分子机制知之甚少，限制了我们对其在酸碱平衡调节中的作用以及潜在治疗价值的全面理解。近日，山东大学孙金鹏教授团队和易凡教授团队，联合四川大学邓成团队，对非洲爪蟾和小鼠的GPR4质子感知机制展开了深入研究，从演化、功能和分子水平揭示了GPR4如何感知环境pH并作出适应性响应。研究发现，不同物种的GPR4活性最佳pH值与其血液的正常pH范围高度相关，表明GPR4通过调节质子感知能力，使物种能够适应其特定的酸碱环境。例如，非洲爪蟾的GPR4更适应水生环境的酸性范围，而小鼠的GPR4则更适应哺乳动物血液的中性酸碱环境。通过详细表征多个不同pH条件下两个不同种属的GPR4的结构，组氨酸质子化状态及激活过程分析，研究进一步揭示了GPR4的质子感知机制：胞外特定组氨酸残基组合的质子化通过氢键网络引发受体构象变化，从而激活下游信号通路。这一机制既体现了不同物种间的共性，又展现了特异性的适应特征，揭示了酸碱感知的演化模式。结合演化生物学与分子生物学的视角，该研究深化了对GPR4在调节机体酸碱稳态中的作用机制的理解，为探索其在维持肾脏稳态中的作用以及相关疾病中的潜在治疗价值提供了重要科学依据。在动物进化过程中，从水生到陆生的转变是一个关键的适应性进化事件。这一过程涉及多个生理系统的调整，以应对陆地环境中的新挑战。这种从水生到陆生的过渡不仅需要适应新的呼吸方式，还需要应对陆地环境中氧气浓度波动更大的问题。在呼吸系统方面，肺鱼等辐鳍鱼类展示了早期向陆地过渡的特征，它们的肺可能是一种适应静止水域或暂时干旱环境的生存方式。随着进化的发展，肺鱼和其他相关物种的肺功能得到了进一步增强，最终演化为四足动物，即陆生脊椎动物。这些动物通过增强肺部功能和调节血液pH值来维持正常的生理活动。例如，陆生脊椎动物通常维持在7.30-7.50的血pH范围，以确保细胞酶活性和膜完整性【1】。GPR4是一种质子感应受体，能够感知血液中由CO2生成的碳酸和H+浓度的变化。这种感知机制使得GPR4成为中枢化学感受器的重要组成部分，负责调节呼吸以应对血液中CO2水平的变化【2】。在后梯形核 (RTN)神经元中，GPR4通过检测血液中H+浓度变化来调节呼吸。当GPR4被遗传删除或功能受损时，小鼠的CO2刺激呼吸反应显著减弱，表现为呼吸频率和潮气量的减少。近日，山东大学孙金鹏教授和易凡教授团队联合四川大学华西医院邓成教授团队，通过对脊椎动物GPR4质子感知机制的深入研究，从结构、功能及演化角度揭示了不同物种GPR4感知质子的共同和独特机制。这项研究发现了GPR4在血液pH值感知中的共性机制及物种特异的适应性变化，进一步丰富了我们对GPR4功能和演化的理解，并为探索脊椎动物在极端环境适应中的潜力提供了重要的理论依据。GPR4在哺乳动物、爬行动物、两栖动物和鱼类中均有发现，表明其在脊椎动物中具有广泛的分布。GPR4在不同物种中的演化和最适pH值表现出显著的差异。在哺乳动物中，GPR4的最适pH值通常在6.8到7.2之间；在两栖动物中，如Microcaecilia unicolor和Geotrypetes seraphini，以及鱼类Clupea harengus，GPR4的最适pH值则相对偏碱，范围在7.2到7.6之间；然而，两栖动物爪蟾属最适pH值则最酸，具有最这种差异可能与不同物种的生理需求和生活环境有关。特别值得注意的是，爪蟾属的两种两栖动物（Xenopus tropicalis和Xenopus laevis）在进化过程中经历了自然选择压力，导致其GPR4基因发生了正选择。这表明爪蟾属的GPR4可能在适应其特定生存环境方面具有特殊的功能。相比之下，其他两栖动物和脊椎动物并未显示出类似的正选择信号，这进一步支持了爪蟾属GPR4的独特进化路径。鉴于爪蟾属极端的水生生活环境，爪蟾属能够长时间潜水而不表现出呼吸急促的现象。相比之下，其他种类如Rana catesbeiana则主要半水生，潜水能力较弱。结合蛋白质解析结果，本研究发现，爪蟾属GPR4感知最适pH偏酸与其长时间的潜水能力相关。爪蟾GPR4与其长时间的潜水能力相关，而受到选择压力的爪蟾特异性位点H159，E156对于爪蟾极端水生生活适应具有重要的作用。GPR4在不同物种中的最适pH值和进化历史揭示了其在脊椎动物中的多样性和适应性。爪蟾属的GPR4经历了显著的自然选择压力，表明其在适应特定生存条件方面具有独特的功能。爪蟾的潜水能力与其血液pH值的变化以及GPR4受体的激活状态密切相关。爪蟾GPR4在较低pH值下的高活性可能是其能够长时间潜水的重要生理基础。相比之下，Rana catesbeiana由于其GPR4受体在较高pH值下才开始激活，因此其潜水能力较弱。https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.001
1. Hsia, C. C., A. Schmitz, M. Lambertz, S. F. Perry, and J. N. Maina. 2013. 'Evolution of air breathing: oxygen homeostasis and the transitions from water to land and sky', Compr Physiol, 3: 849-915.2. Kumar, N. N., A. Velic, J. Soliz, Y. Shi, K. Li, S. Wang, J. L. Weaver, J. Sen, S. B. Abbott, R. M. Lazarenko, M. G. Ludwig, E. Perez-Reyes, N. Mohebbi, C. Bettoni, M. Gassmann, T. Suply, K. Seuwen, P. G. Guyenet, C. A. Wagner, and D. A. Bayliss. 2015. 'PHYSIOLOGY. Regulation of breathing by CO(2) requires the proton-activated receptor GPR4 in retrotrapezoid nucleus neurons', Science, 348: 1255-60.制版人：十一
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