文章信息
文章题目：Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4
期刊：Cell
发表时间：2025年1月2日
主要内容：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杂志上发表了文章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。
原文链接：http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.001
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研究背景
质子是一种带正电的小粒子，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。
人类通过调节呼吸速率和肾脏功能，维持稳定的血液pH值。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。
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。
文章概述
首先，该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。
不同物种中GPR4的最适pH
蟾蜍和蛙类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，这导致ECL2的重排以及ECL2和7TM区域变得更加紧密地结合。
最适pH下小鼠和爪蟾GPR4关键H的周围相互作用
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。
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使用Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)产品发表的部分文章：
• Wen X, Shang P, Chen H D, et al. Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4 [J]. Cell, 2025.
• Hu Q L, Liu H H, He Y J, et al. Regulatory mechanisms of strigolactone perception in rice [J]. Cell, 2024.
• Shang P, Rong N, Jiang J J, et al. Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design[J]. Cell, 2023.
• Zhong S, Ding W, Sun L, et al. Decoding the development of the human hippocampus[J]. Nature, 2020.
• Jiang L, Xie X, Su N, et al. Large Stokes shift fluorescent RNAs for dual-emission fluorescence and bioluminescence imaging in live cells[J]. Nature Methods, 2023.
• Li X, Zhang Y, Xu L, et al. Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease[J]. Cell Metabolism, 2023.
• Han W, Gao B Q, Zhu J, et al. Design and application of the transformer base editor in mammalian cells and mice[J]. Nature Protocols, 2023.
• Liu R, Yao J, Zhou S, et al. Spatiotemporal control of RNA metabolism and CRISPR–Cas functions using engineered photoswitchable RNA-binding proteins[J]. Nature Protocols, 2023.
