Cell | pH敏感G蛋白偶联受体的分子机制

撰文 | 格格

细胞内外环境的pH值对于维持细胞正常的生理功能至关重要。pH值的微小变化都会影响酶的活性、蛋白质的结构和功能，以及离子通道的通透性等。因此，细胞需要一套机制来感知和调节pH值，以维持细胞内外环境的稳定。目前，pH值感知的机制主要分为两类：一些离子通道能够直接感知pH值的变化，并通过改变离子通透性来调节细胞内外的离子平衡【1-2】。此外，许多G蛋白偶联受体 （GPCRs） 能够感知pH值的变化，并通过激活下游G蛋白信号通路来调节细胞功能。近年来，科学家们对pH敏感GPCRs的研究取得了重要进展，发现了一些与pH值感知相关的GPCRs，并对其结构和功能进行了深入研究。例如，GPR4、GPR65和GPR68三种GPCRs已被证实能够感知pH值的变化，并参与调节呼吸、免疫系统和血管功能等生理过程【3-4】。尽管发现了一些pH敏感GPCRs，但其具体的感知机制仍不明确，需要进一步研究。

2025年1月2日，来自美国加州大学旧金山分校的Aashish Manglik研究团队和Willow Coyote-Maestas研究团队合作在Cell杂志发表题为Molecular basis of proton sensing by G protein-coupled receptors的研究论文，该研究旨在探索质子如何激活 pH 敏感的G蛋白偶联受体，并揭示了质子传感GPCRs激活的分子机制。

该研究首先利用冷冻电镜 （cryo-EM） 技术获得了三种人类质子传感GPCRs （GPR4、GPR65 和GPR68） 与异源三聚体G蛋白信号亚基结合的结构。尽管这些受体在表达外源性pH时表现出不同的pH50值，但在冷冻电镜结构中，它们都以完全活化的构象存在，并展现出与典型的A类GPCRs （如β2-肾上腺素受体） 相似的结构特征。这些结构揭示了质子传感GPCRs 中潜在的质子识别位点，包括多个极性和带电氨基酸残基组成的网络，这些残基从细胞外表面延伸到跨膜区域，最终汇聚到经典的结构域以激活质子传感GPCRs。

为了确定哪些氨基酸残基对质子激活至关重要，研究人员采用了深度突变扫描 （DMS） 技术，对GPR68中的每个残基进行了全面的突变，并评估了这些突变对信号传导和表面表达的影响。DMS 结果显示，与GPCRs家族中其他关键结构域 （如TM区域） 的突变相比，表面表达的改变对信号传导的影响较小。这表明表面表达的改变可能只是信号传导改变的一个副作用，而非直接原因。此外，DMS结果还揭示了GPR68中许多重要的质子识别位点，包括细胞外腔中的组氨酸残基，以及参与连接细胞外腔和受体核心的离子和氢键相互作用的关键氨基酸残基。

为了更全面地评估突变对GPR68激活的影响，研究人员将DMS结果与表面表达数据结合起来，计算了每个突变的表达调整功能分数。通过这种方式，他们能够明确区分那些由于表面表达改变而导致信号传导改变的突变，以及那些由于直接参与质子激活而导致的突变。结果表明，许多具有高增益功能 （GOF） 或低功能丧失 （LOF） 分数的突变位于经典的A类GPCRs 结构域中，例如DRY、N(D)PxxY、CW(F)xP与G蛋白相互作用的结构域。此外，许多具有高 GOF或低LOF分数的突变位于细胞外腔附近，这表明该区域可能对GPR68的质子激活至关重要。

为了进一步了解GPR68激活的分子机制，研究人员利用分子动力学模拟 （MD） 技术研究了 GPR68在不同pH条件下的构象变化。他们发现，GPR68在低pH条件下探索多种构象，而在高pH条件下，构象范围缩小，活性构象变得更加丰富。这些模拟结果与DMS结果一致，表明质子化状态的变化可能驱动GPR68的构象变化。此外，MD模拟还揭示了GPR68中许多关键的质子识别残基，例如H201.31和H2697.36，它们在低pH条件下与细胞外腔中的其他氨基酸残基形成离子和氢键相互作用，并最终导致E1494.53的质子化，从而激活受体。这些结果为GPR68的质子激活机制提供了一个全面的框架，并为其他质子传感GPCRs的研究提供了指导。

图1 pH敏感G蛋白偶联受体的分子机制

总之，该研究为我们理解质子感知GPCRs的功能提供了重要的结构和动态信息，并为GPCRs的结构和功能研究开辟了新的途径。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.036

制版人：十一

参考文献

1. Jasti, J., Furukawa, H., Gonzales, E.B., and Gouaux, E. (2007). Structure of acid-sensing ion channel 1 at 1.9 A resolution and low pH.Nature449, 316–323.

2. Jordt, S.E., Tominaga, M., and Julius, D. (2000). Acid potentiation of the capsaicin receptor determined by a key extracellular site.Proc. Natl. Acad. Sci. USA97, 8134–8139.

3. Choi, J.W., Lee, S.Y., and Choi, Y. (1996). Identification of a putative G protein-coupled receptor induced during activation-induced apoptosis of T cells.Cell. Immunol.168, 78–84.

4. Ludwig, M.-G., Vanek, M., Guerini, D., Gasser, J.A., Jones, C.E., Junker, U., Hofstetter, H., Wolf, R.M., and Seuwen, K. (2003). Proton-sensing G-protein-coupled receptors.Nature425, 93–98.

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