组胺受体亚型G蛋白偏好性的结构解析：H4R-Gi复合物冷冻电镜研究揭示配体识别与激活新机制

本研究通过冷冻电镜技术解析了组胺H4受体（H4R）与Gi蛋白复合物的高分辨率结构，揭示了组胺在H4R中独特的π-π堆叠结合模式及非典型激活机制。团队进一步通过H1R与非经典G蛋白（Gi/Gs）复合物结构比较，发现胞内第二环（ICL2）是决定组胺受体G蛋白选择性的关键因素，为靶向药物设计提供了新思路。

　　

组胺受体的神秘面纱：从过敏反应到免疫调控的分子密码
组胺作为人体内重要的生物胺，通过四种受体亚型（H₁R-H₄R）调控着从过敏反应到免疫应答的多种生理过程。尽管抗组胺药物已广泛应用于过敏治疗，但不同亚型受体如何选择性偶联G蛋白（如H₁R偏好G_q、H₄R偏好G_i）的机制仍是未解之谜。更令人困惑的是，相同配体（组胺）在不同受体中竟呈现相反的结合方向——这种"分子倒置"现象在GPCR家族中极为罕见。

东京大学的研究团队在《Communications Biology》发表的研究，通过冷冻电镜技术首次捕获了H₄R-G_i复合物的精细结构（分辨率2.7 ?），并意外发现H₄R中组胺的咪唑环与F344^7.39形成独特的π-π堆叠，而传统受体中保守的D^3.32却与组胺的胺基尾部相互作用。这种"头尾倒置"的结合模式解释了为何H₄R选择性抑制剂难以通过传统药物设计获得。

关键技术方法
研究采用冷冻电镜解析H₄R-G_i及H₁R-G_i/G_s复合物结构，通过共表达显性负性G_i三聚体抑制H₄R基础活性。结合NanoBiT-G蛋白解离实验、分子动力学模拟（250 ns）和点突变验证，系统分析了受体激活与G蛋白偶联机制。

研究结果

π-π堆叠与水介导相互作用决定H₄R的组胺识别
冷冻电镜密度图清晰显示，H₄R中组胺的咪唑环被Y319^6.51/W348^7.43构成的芳香笼包裹，而胺基尾部通过Q347^7.42和水分子网络稳定（图1d）。分子动力学模拟证实F344^7.39与组胺咪唑环的π-π相互作用在80%模拟时间内保持稳定（图1g-i）。

H₄R在A类GPCR中展现独特激活机制
与AlphaFold2预测的失活构象相比，激活态H₄R的TM6外展17°，且关键开关残基W316^6.48罕见地向上移动（图2c）。Q347^7.42M突变实验证明，其与W316^6.48的π-π堆叠对受体激活至关重要（图2e-f）。

G蛋白α5螺旋C端决定结合模式
结构比较揭示：G_i因C端小分子残基（如半胱氨酸）能更深插入受体腔，而G_q/G_s因酪氨酸等大侧链导致结合较浅（图3f-k）。这种差异解释了为何H₁R与G_q结合时ICL2更贴近G蛋白疏水口袋。

ICL2是G蛋白选择性的关键决定因素
H₁R的L133^34.51A突变使G_q活性降低而G_s活性增强（图4l-m），H₄R的V120^34.51突变则显著削弱G_i偶联（图4n-o），证实ICL2与G蛋白疏水口袋的紧密堆积是亚型选择性的结构基础。

结论与展望
该研究不仅揭示了组胺受体亚型间"同配体不同构象"的激活原理，更发现ICL2这一远离结合口袋的区域竟是G蛋白选择性的"分子开关"。这些发现为开发靶向H₄R的免疫调节药物（如治疗哮喘、特应性皮炎）提供了新策略——通过稳定特定构象来精确调控下游信号。值得注意的是，与B/C类GPCR不同，A类GPCR（如组胺受体）的活性构象不受G蛋白类型影响，这种刚性可能与其亚型多样性进化相关。未来研究需进一步探索ICL2工程化改造能否实现G蛋白信号通路的定向重编程。