文章信息

文章題目：Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4

期刊：Cell

發(fā)表時(shí)間：2025年1月2日

主要內容：山東大學(xué)基礎醫學(xué)院孫金鵬教授團隊、易凡教授團隊聯(lián)合四川大學(xué)鄧成教授團隊，在Cell雜志上發(fā)表了文章Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4，該研究從進(jìn)化、功能和結構角度，闡釋了不同物種GPR4在質(zhì)子感知中的共同機制以及物種特異性的獨特機制，進(jìn)一步描述了特定的質(zhì)子感知GPCR是如何進(jìn)化以適應不同生物的不同生活方式。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.001

使用TransGen產(chǎn)品：

Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)

研究背景

質(zhì)子是一種帶正電的小粒子，在溶液中，它們通常以氫離子（H?）的形式存在，并會(huì )和水分子結合形成水合離子。它們的反應性通過(guò)pH值（反映自由質(zhì)子濃度）來(lái)表示。在生物化學(xué)反應中，質(zhì)子梯度是許多反應速率的關(guān)鍵決定因素。

人類(lèi)通過(guò)調節呼吸速率和腎臟功能，維持穩定的血液pH值。為了滿(mǎn)足日常能量需求，線(xiàn)粒體中的質(zhì)子與碳酸氫鹽緩沖系統相互作用，生成大量的二氧化碳（CO₂）。這些CO₂隨后通過(guò)血液運輸，最終通過(guò)呼吸排出或以腎酸形式由腎臟排泄。這些過(guò)程由質(zhì)子感應受體（如GPR4）精密調控，確保了生理pH水平的穩定。

GPR4起源于軟骨魚(yú)（銀鮫），在調節呼吸頻率、腎臟功能以及恢復pH平衡方面發(fā)揮了重要作用。同時(shí)，GPR4也在心血管系統中表達，并起到保護作用。尤其值得一提的是，不同于傳統的GPCR配體，質(zhì)子特別小，所以可能會(huì )有很多個(gè)受體的結合位點(diǎn)。所以，至今關(guān)于GPR4如何感知質(zhì)子的分子機制，以及動(dòng)物如何進(jìn)化以適應不同環(huán)境中的質(zhì)子濃度變化，仍不完全清楚。

文章概述

首先，該研究團隊對不同的物種血液pH進(jìn)行了測量，以及分析了不同脊椎動(dòng)物物種中GPR4質(zhì)子感知范圍及其下游Gs-cAMP活性。結果發(fā)現兩棲動(dòng)物中的牛蛙以及爪蟾等具有偏酸的最適pH范圍。重要的是，研究發(fā)現GPR4的活性最佳pH值與不同物種的血液pH值范圍呈正相關(guān)。

不同物種中GPR4的最適pH

蟾蜍和蛙類(lèi)這些半水生兩棲動(dòng)物可以自愿潛水長(cháng)達1.5小時(shí)甚至更久，但在潛水后并未表現出過(guò)度通氣現象，而爪蟾則可以潛水長(cháng)達14小時(shí)且不會(huì )發(fā)生呼吸性酸中毒。于是推測，美洲牛蛙（R. catesbeiana）GPR4（rcGPR4）和熱帶非洲爪蟾（X. tropicalis）GPR4（xtGPR4）之間的最優(yōu)pH差異可能與它們的潛水能力相關(guān)，從而支持其不同的生活方式。

隨后，研究者們解析了熱帶非洲爪蟾（xtGPR4）和小鼠（mmGPR4）在不同pH條件下的受體單體或與Gs三聚體復合物的冷凍電鏡結構。通過(guò)觀(guān)察xtGPR4和mmGPR4在不同pH條件下的7個(gè)冷凍電鏡結構并結合功能分析，研究發(fā)現，在不同的進(jìn)化相關(guān)物種中存在共同的質(zhì)子感知和質(zhì)子誘導的GPR4激活機制。兩個(gè)在進(jìn)化上保守的組氨酸，在GPCR七次跨膜的ECL2（暴露于溶劑）中的H165xtGPR4/H167mmGPR4和連接ECL2的中上TM區域的H276xtGPR4/H271mmGPR4，被確定為pH誘導GPR4激活的兩個(gè)關(guān)鍵質(zhì)子傳感器。這兩個(gè)His質(zhì)子化到HIP態(tài)（咪唑環(huán)上的兩個(gè)氮都被質(zhì)子化，咪唑基帶正電荷），使得這些殘基充當氫鍵供體并構成新的極性網(wǎng)絡(luò )，這導致ECL2的重排以及ECL2和7TM區域變得更加緊密地結合。

最適pH下小鼠和爪蟾GPR4關(guān)鍵H的周?chē)嗷プ饔?/span>

這些結構改變通過(guò)保守傳播路徑傳播到“撥動(dòng)開(kāi)關(guān)”Y/F6.48位置。經(jīng)過(guò)序列比較和物種分析，這2個(gè)關(guān)鍵的H及其形成的極性網(wǎng)絡(luò )，是不同物種GPR4質(zhì)子感知和激活的共同機制。

盡管具有共同的質(zhì)子感應機制，但不同物種的GPR4通過(guò)獨特的質(zhì)子感應機制進(jìn)化。例如，H159ECL2-45.51僅存在于xtGPR4中，而不存在于哺乳動(dòng)物或其他物種中，這表明了一種獨特的進(jìn)化途徑。重要的是，H159ECL2-45.51的質(zhì)子化使H159ECL2-45.51和E156ECL2-45.48之間以及H159ECL2-45.51和S171ECL2-45.53之間形成極性網(wǎng)絡(luò )是xtGPR4在酸性條件下活化的必要條件。此外，受到選擇壓力的位點(diǎn)突變結果表明， S171.32和E156ECL2-45.48可能在xtGPR4活性相對酸性的最佳pH范圍中發(fā)揮著(zhù)重要作用。

綜上所述，此項研究揭示了GPR4在進(jìn)化過(guò)程中如何適應周?chē)h(huán)境和pH，感知質(zhì)子和調節酸堿平衡，發(fā)現了多種物種血液pH與GPR4活性最佳pH成正相關(guān)。同時(shí)闡釋了不同物種中質(zhì)子化誘導GPR4激活的共同機制和獨特的適應機制，對質(zhì)子感知受體如何激活和傳遞提供了相關(guān)見(jiàn)解。

全式金生物產(chǎn)品支撐

優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金生物的克隆感受態(tài)細胞Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)助力本研究。

Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)

本產(chǎn)品經(jīng)特殊工藝制作，可用于DNA的化學(xué)轉化。使用pUC19質(zhì)粒DNA檢測，轉化效率高達10⁸ cfu/μg DNA以上，自上市以來(lái)多次榮登Cell等知名期刊，助力科學(xué)研究。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

? 用于藍白斑篩選。

? recA1和endA1的突變有利于克隆DNA的穩定和高純度質(zhì)粒DNA的提取。

全式金生物產(chǎn)品再一次登上Cell期刊，證明了大家對全式金生物產(chǎn)品品質(zhì)和實(shí)力的認可，也完美詮釋了全式金生物一直以來(lái)秉承的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶(hù)”的理念。全式金生物始終在助力科研的道路上砥礪前行，希望未來(lái)能與更多的科研工作者并肩奮斗，用更多更好的產(chǎn)品持續助力科研。

使用Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：

? Wen X, Shang P, Chen H D, et al. Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4 [J]. Cell, 2025.

? Hu Q L, Liu H H, He Y J, et al. Regulatory mechanisms of strigolactone perception in rice [J]. Cell, 2024.

? Shang P, Rong N, Jiang J J, et al. Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design[J]. Cell, 2023.

? Zhong S, Ding W, Sun L, et al. Decoding the development of the human hippocampus[J]. Nature, 2020.

? Jiang L, Xie X, Su N, et al. Large Stokes shift fluorescent RNAs for dual-emission fluorescence and bioluminescence imaging in live cells[J]. Nature Methods, 2023.

? Li X, Zhang Y, Xu L, et al. Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease[J]. Cell Metabolism, 2023.

? Han W, Gao B Q, Zhu J, et al. Design and application of the transformer base editor in mammalian cells and mice[J]. Nature Protocols, 2023.

? Liu R, Yao J, Zhou S, et al. Spatiotemporal control of RNA metabolism and CRISPR–Cas functions using engineered photoswitchable RNA-binding proteins[J]. Nature Protocols, 2023.