G蛋白偶聯受體（GPCR）是一類具有典型七次跨膜螺旋結構的膜蛋白，構成了真核生物中規模最大、功能最為多樣的膜蛋白家族，在人類基因組中擁有超過800個成員。其中GPR4、GPR65和GPR68組成了酸受體亞家族，能夠感應細胞外微環境中pH的變化，誘發細胞應答。局部酸性環境是許多病理過程（如炎癥和腫瘤）的顯著特征，特別是在腫瘤組織及其微環境中，由于代謝活性增強，pH通常比正常組織低0.5至1個單位，從而導致相關酸受體的過度激活，驅動腫瘤惡性演進。GPR4在免疫、腦、呼吸和消化系統等多種組織中廣泛表達，廣泛參與調控各類生理過程。然而，目前研究對于GPR4感應質子的結構特征及其信號轉導機制仍不十分明確。
Nature Communications 刊發華東師大宋高潔研究員、盧偉強研究員研究成果
近日，華東師大生命科學學院宋高潔課題組和盧偉強課題組，聯合浙江大學茹衡團隊解析了酸受體GPR4的激動態冷凍電鏡結構。研究團隊利用冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術，成功解析斑馬魚GPR4在pH 6.5和pH 8.5條件下的高分辨率三維結構。研究揭示，GPR4在細胞外區域廣泛分布可離子化的組氨酸和酸性氨基酸殘基，功能驗證表明這些殘基在受體的質子感應過程中起到一定作用。科研人員還發現，位于跨膜區內部的三聯體酸性殘基對質子感應的影響也非常重要，提示其在受體激活機制中具有關鍵作用。值得關注的是，在GPR4的正構口袋內存在一簇高度保守的芳香族殘基。這些芳香族殘基的存在使GPR4的正構口袋體積極小，與其他典型化合物或多肽受體的口袋相比，無法容納常規的配體化合物。這一特性與酸受體感應的超小型配體（質子）相吻合。進一步分析提示，GPR4可能通過這些芳香族氨基酸的緊密重排，實現質子信號的傳遞，并引發胞內螺旋區域的構象變化，從而促進G蛋白的招募并觸發下游信號通路。
研究發現GPR4的Gs蛋白結合界面與其他典型的Gi偶聯受體相似，表明受體跨膜區TM6的開啟程度并非不同G蛋白亞型識別的關鍵因素。序列分析和細胞活性實驗顯示，斑馬魚的GPR4與人源GPR4在G蛋白結合界面上高度保守。通過解析GPR4的三維結構，為未來研究酸受體的信號傳導和功能提供了重要框架。由于GPR4的正構位點較小，開發相應的抑制劑應重點關注潛在的別構位點。GPR4的結構和信號轉導機制研究為靶向酸性微環境相關疾病（如腫瘤）的靶標探索和藥物發現開辟了新的途徑。
圖注：GPR4在pH 6.5和8.5的整體結構。
該研究成果于2025年1月11日以“Cryo-EM structure of an activated GPR4–Gs signaling complex”為題，在線發表于Nature Communications雜志。華東師范大學生命科學學院研究生馬依彤、王義杰以及浙江大學研究生湯夢媛為該論文的共同第一作者，華東師范大學為第一完成單位。華東師范大學生命科學學院宋高潔研究員、盧偉強研究員及浙江大學生命科學研究院茹衡研究員為共同通訊作者。華東師范大學生命科學學院劉明耀教授、李大力研究員為本項研究提供了重要支持。該研究受到了華師大雙百人才項目、國家自然科學基金以及上海市科委基礎研究項目等支持。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-55901-2
來源｜科技處、生命科學學院 編輯｜蔣萱 編審｜郭文君
