Cell Research | 刘志杰/华甜/徐沪济/武丽杰团队揭示人源质子感应G蛋白偶联受体的分步激活机制

GPCRs是人体内最大的膜蛋白家族，广泛参与跨细胞膜生理信号传递，约40%的上市药物以其为靶点。pH感应GPCRs在细胞微环境感知和信号转导中发挥关键作用。其中，GPR4、GPR65、GPR68等受体能够直接感知细胞外质子浓度变化，在维持人体酸碱平衡、调控免疫反应、影响肿瘤微环境等方面发挥关键作用。然而，由于科学界对此类受体的质子感知及激活机制存在争议，更加深入和全面结构与功能分析是十分必要的。

2025年4月11日，上海科技大学iHuman研究所刘志杰/华甜/武丽杰团队联合海军军医大学附属长征医院徐沪济团队，在Cell Research上发表了题为 “Structural basis of stepwise proton sensing-mediated GPCR activation”的研究论文。该研究揭示了质子感应G蛋白偶联受体（Proton-sensing GPCRs）GPR4和GPR65的结构基础及独特的分步激活机制。这一发现不仅深化了对pH感应GPCR的理解，还为开发针对炎症性疾病、癌症等pH相关疾病的靶向治疗提供了新思路。

研究团队聚焦GPR4和GPR65，利用单颗粒冷冻电镜技术解析了它们在pH 6.0至8.0范围内与G蛋白（Gs、Gq、G13）结合的复合物结构。通过对比不同pH条件下拮抗态与激活态受体分子的结构差异，完整描绘了质子驱动的动态激活轨迹。

图一 GPR4和GPR65激活的分子机制

研究者还意外捕捉到了GPR4受体“部分激活”的中间态，结合基于结构的关键残基质子化状态预测、分子动力学模拟以及突变功能验证，研究者进而提出了该受体分步激活的理论模型，丰富了GPCR激活过程的多样性。

图二 GPR4的分步激活模型

本研究揭示了组氨酸-羧酸网络构成的“质子传感器”，在GPR4的胞外结构域中，组氨酸H269和H165与周围的羧酸残基形成精密网络，当pH降低时，这些组氨酸被质子化，触发氢键重构。这种网络如同“分子开关”，驱动胞外环ECL2从水平短环（非活性态）转变为垂直β-sheet结构（活性态）。

图三 GPR4质子感应的关键组氨酸-羧酸残基网络

同时，GPR4能够偶联Gs、Gq、G13等多种G蛋白，但具体机制仍不清楚。该研究解析的GPR4 与三种不同G蛋白的复合物结构揭示了同一受体通过细微构象变化调控不同信号通路的机制，为开发信号通路特异性药物奠定了重要基础。

另外，本研究还解析了GPR4与抑制剂NE52-QQ57的复合物结构。该小分子并非占据传统的正构口袋，而是结合在由跨膜螺旋TM2、TM3和TM7形成的变构位点，迫使ECL2构象“冻结”在非活性状态，从而阻断质子感应网络。这一发现为设计高选择性抑制剂提供了全新思路。

总之，该研究首次系统解析了GPR4和GPR65在不同pH条件下的构象变化及激活机制，阐述其独特的分步激活机制，为理解质子感知GPCRs如何介导信号传递提供了关键的结构基础，助力发现更多小分子调节剂，以精确干预pH感应GPCRs的活性，为炎症、肿瘤等相关疾病的临床治疗带来新的进展。

上海科技大学生命学院博士研究生岳晓磊、彭立和刘沈徽为共同第一作者；上海科技大学iHuman研究所副研究员武丽杰、海军军医大学附属长征医院徐沪济教授和上海科技大学生命学院讲习教授刘志杰，助理教授华甜为该工作的共同通讯作者。

https://www.nature.com/articles/s41422-025-01092-w

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