G蛋白偶联受体（GPCR）是一类具有典型七次跨膜螺旋结构的膜蛋白，构成了真核生物中规模最大、功能最为多样的膜蛋白家族，在人类基因组中拥有超过800个成员。其中GPR4、GPR65和GPR68组成了酸受体亚家族，能够感应细胞外微环境中pH的变化，诱发细胞应答。局部酸性环境是许多病理过程（如炎症和肿瘤）的显著特征，特别是在肿瘤组织及其微环境中，由于代谢活性增强，pH通常比正常组织低0.5至1个单位，从而导致相关酸受体的过度激活，驱动肿瘤恶性演进。GPR4在免疫、脑、呼吸和消化系统等多种组织中广泛表达，广泛参与调控各类生理过程。然而，目前研究对于GPR4感应质子的结构特征及其信号转导机制仍不十分明确。
Nature Communications 刊发华东师大宋高洁研究员、卢伟强研究员研究成果
近日，华东师大生命科学学院宋高洁课题组和卢伟强课题组，联合浙江大学茹衡团队解析了酸受体GPR4的激动态冷冻电镜结构。研究团队利用冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术，成功解析斑马鱼GPR4在pH 6.5和pH 8.5条件下的高分辨率三维结构。研究揭示，GPR4在细胞外区域广泛分布可离子化的组氨酸和酸性氨基酸残基，功能验证表明这些残基在受体的质子感应过程中起到一定作用。科研人员还发现，位于跨膜区内部的三联体酸性残基对质子感应的影响也非常重要，提示其在受体激活机制中具有关键作用。值得关注的是，在GPR4的正构口袋内存在一簇高度保守的芳香族残基。这些芳香族残基的存在使GPR4的正构口袋体积极小，与其他典型化合物或多肽受体的口袋相比，无法容纳常规的配体化合物。这一特性与酸受体感应的超小型配体（质子）相吻合。进一步分析提示，GPR4可能通过这些芳香族氨基酸的紧密重排，实现质子信号的传递，并引发胞内螺旋区域的构象变化，从而促进G蛋白的招募并触发下游信号通路。
研究发现GPR4的Gs蛋白结合界面与其他典型的Gi偶联受体相似，表明受体跨膜区TM6的开启程度并非不同G蛋白亚型识别的关键因素。序列分析和细胞活性实验显示，斑马鱼的GPR4与人源GPR4在G蛋白结合界面上高度保守。通过解析GPR4的三维结构，为未来研究酸受体的信号传导和功能提供了重要框架。由于GPR4的正构位点较小，开发相应的抑制剂应重点关注潜在的别构位点。GPR4的结构和信号转导机制研究为靶向酸性微环境相关疾病（如肿瘤）的靶标探索和药物发现开辟了新的途径。
图注：GPR4在pH 6.5和8.5的整体结构。
该研究成果于2025年1月11日以“Cryo-EM structure of an activated GPR4–Gs signaling complex”为题，在线发表于Nature Communications杂志。香港118现场直播站生命科学学院研究生马依彤、王义杰以及浙江大学研究生汤梦媛为该论文的共同第一作者，香港118现场直播站为第一完成单位。香港118现场直播站生命科学学院宋高洁研究员、卢伟强研究员及浙江大学生命科学研究院茹衡研究员为共同通讯作者。香港118现场直播站生命科学学院刘明耀教授、李大力研究员为本项研究提供了重要支持。该研究受到了华师大双百人才项目、国家自然科学基金以及上海市科委基础研究项目等支持。
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论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-55901-2
来源｜科技处、生命科学学院 编辑｜蒋萱 编审｜郭文君
