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)表時間：2025年1月2日
主要內容：山東大學基礎醫(yī)學院孫金鵬教授團隊、易凡教授團隊聯(lián)合四川大學鄧成教授團隊，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，該研究從進化、功能和結構角度，闡釋了不同物種GPR4在質子感知中的共同機制以及物種特異性的獨特機制，進一步描述了特定的質子感知GPCR是如何進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，并會和水分子結合形成水合離子。它們的反應性通過pH值（反映自由質子濃度）來表示。在生物化學反應中，質子梯度是許多反應速率的關鍵決定因素。
人類通過調節(jié)呼吸速率和腎臟功能，維持穩(wěn)定的血液pH值。為了滿足日常能量需求，線粒體中的質子與碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)相互作用，生成大量的二氧化碳（CO2）。這些CO2隨后通過血液運輸，最終通過呼吸排出或以腎酸形式由腎臟排泄。這些過程由質子感應受體（如GPR4）精密調控，確保了生理pH水平的穩(wěn)定。
GPR4起源于軟骨魚（銀鮫），在調節(jié)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，GPR4也在心血管系統(tǒng)中表達，并起到保護作用。尤其值得一提的是，不同于傳統(tǒng)的GPCR配體，質子特別小，所以可能會有很多個受體的結合位點。所以，至今關于GPR4如何感知質子的分子機制，以及動物如何進化以適應不同環(huán)境中的質子濃度變化，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進行了測量，以及分析了不同脊椎動物物種中GPR4質子感知范圍及其下游Gs-cAMP活性。結果發(fā)現(xiàn)兩棲動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(xiàn)GPR4的活性最佳pH值與不同物種的血液pH值范圍呈正相關。
不同物種中GPR4的最適pH
蟾蜍和蛙類這些半水生兩棲動物可以自愿潛水長達1.5小時甚至更久，但在潛水后并未表現(xiàn)出過度通氣現(xiàn)象，而爪蟾則可以潛水長達14小時且不會發(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，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。通過觀察xtGPR4和mmGPR4在不同pH條件下的7個冷凍電鏡結構并結合功能分析，研究發(fā)現(xiàn)，在不同的進化相關物種中存在共同的質子感知和質子誘導的GPR4激活機制。兩個在進化上保守的組氨酸，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(qū)域的H276xtGPR4/H271mmGPR4，被確定為pH誘導GPR4激活的兩個關鍵質子傳感器。這兩個His質子化到HIP態(tài)（咪唑環(huán)上的兩個氮都被質子化，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，這導致ECL2的重排以及ECL2和7TM區(qū)域變得更加緊密地結合。
最適pH下小鼠和爪蟾GPR4關鍵H的周圍相互作用
這些結構改變通過保守傳播路徑傳播到“撥動開關”Y/F6.48位置。經(jīng)過序列比較和物種分析，這2個關鍵的H及其形成的極性網(wǎng)絡，是不同物種GPR4質子感知和激活的共同機制。
盡管具有共同的質子感應機制，但不同物種的GPR4通過獨特的質子感應機制進化。例如，H159ECL2-45.51僅存在于xtGPR4中，而不存在于哺乳動物或其他物種中，這表明了一種獨特的進化途徑。重要的是，H159ECL2-45.51的質子化使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)揮著重要作用。
綜上所述，此項研究揭示了GPR4在進化過程中如何適應周圍環(huán)境和pH，感知質子和調節(jié)酸堿平衡，發(fā)現(xiàn)了多種物種血液pH與GPR4活性最佳pH成正相關。同時闡釋了不同物種中質子化誘導GPR4激活的共同機制和獨特的適應機制，對質子感知受體如何激活和傳遞提供了相關見解。
全式金生物產(chǎn)品支撐
優(yōu)質的試劑是科學研究的利器。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的化學轉化。使用pUC19質粒DNA檢測，轉化效率高達108 cfu/μg DNA以上，自上市以來多次榮登Cell等知名期刊，助力科學研究。
產(chǎn)品特點：
? 用于藍白斑篩選。
? recA1和endA1的突變有利于克隆DNA的穩(wěn)定和高純度質粒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)品品質和實力的認可，也完美詮釋了全式金生物一直以來秉承的“品質高于一切，精品服務客戶”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(xù)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.
