GPR4质子感知与激活的分子机制：揭示质子介导的GPCR信号传导新范式

本研究通过高分辨率冷冻电镜技术解析了G蛋白偶联受体GPR4在不同pH条件下与Gs/Gq蛋白的复合物结构，揭示了其胞外组氨酸网络介导的精密质子感知机制。研究发现酸性环境中关键组氨酸质子化触发构象级联反应，并首次发现溶血磷脂酰胆碱(LPC)对受体活性的正向变构调节作用，为pH相关疾病治疗提供了新靶点。

　　

细胞如同精密运行的化学工厂，维持着7.35-7.45的微妙pH平衡。这个看似简单的数字背后，隐藏着关乎生命存亡的密码——从糖尿病到癌症，从剧烈运动到肾脏衰竭，pH失衡总是如影随形。在这场维持酸碱平衡的持久战中，细胞膜上的质子感应G蛋白偶联受体(GPCR)如同分子级别的pH计，其中GPR4因其广泛表达和多重生理功能备受关注。然而这个"分子pH计"如何感知环境变化？其信号传递机制又有什么独特之处？这些谜题长期困扰着科学家们。

中国科学院上海药物研究所等单位的研究人员通过前沿结构生物学技术，首次捕捉到GPR4在不同pH条件下的"工作状态"。《Cell Discovery》发表的这项研究不仅揭示了组氨酸网络介导的精密质子感知机制，更意外发现了内源性脂质分子的调控作用，为理解细胞pH稳态提供了全新视角。

研究团队运用冷冻电镜技术解析了GPR4与G_s蛋白在生理pH(7.4)和酸性pH(6.5)条件下的复合物结构，以及GPR4-G_q复合物结构。通过分子动力学模拟分析质子化诱导的构象变化，结合点突变和细胞功能实验验证关键残基作用，并采用分子对接和结合自由能计算研究脂质相互作用。

Unique conformations of GPR4 complexes
研究解析了2.36-2.59 ?高分辨率结构，发现GPR4具有非典型Class A GPCR特征：弯曲的TM1与胞外环(ECL)形成紧密网络，胞外域(ECD)呈现高度酸性亲水表面。结构比较揭示了pH 6.5条件下更紧密的ECD组装，关键水分子在质子传递中起桥梁作用。意外发现溶血磷脂酰胆碱(LPC)结合位点，功能实验证实其可使GPR4在pH 7.4时活性提升30%。

The proton recognition mechanism of GPR4 complexes
高分辨率结构显示H10^NT、H79^2.66、H165^ECL2和H269^7.36构成核心质子感应网络。酸性条件下，H10^NT转向Y163^ECL2形成π-π堆积，H79^2.66与I84^ECL1间水分子位移触发构象变化。特别值得注意的是，G_q偶联的GPR4展现出独特的D81^ECL1-H80^2.67-H165^ECL2极性网络扩展。

Mechanism of proton-induced activation of GPR4
与失活状态β₂AR比较发现，质子化引发三级构象变化：ECD构象重排通过三个组氨酸网络传递，保守酪氨酸残基(Y98^3.33、Y268^7.35)旋转触发TM6外移。独特的DPxxY基序(取代典型NPxxY)与pH敏感性相关，分子动力学模拟显示pH 8.0时关键相互作用距离显著增加。

Potential lipid regulation mechanism of GPR4
结构首次揭示LPC结合在TM3-TM5经典变构位点，其磷酸基团与S200^5.57形成氢键网络。S200A突变完全消除LPC效应，结合自由能计算证实LPC在所有测试脂质中结合能最低(-50.2 kcal/mol)，这种调控模式与ADGRF1受体既有相似性又存在特异性。

这项研究建立了GPR4质子感知的完整分子框架：胞外组氨酸作为质子传感器，水分子网络介导信号传递，LPC通过变构调节放大pH信号。这些发现不仅解释了GPCR如何将环境pH变化转化为细胞内信号，更揭示了脂质微环境对受体功能的调控作用。在医学应用层面，研究为开发靶向GPR4的pH调节药物提供了精确模板，特别是针对肿瘤微环境酸化、代谢性酸中毒等病理过程。值得一提的是，GPR4在pH 7.4仍保持部分活性的特性，使其成为连接生理与病理过程的分子枢纽，这种独特的pH响应曲线可能反映其在进化过程中适应多器官功能的精细调控需求。