z-bio 2025-01-08 24

　　生物体可以通过感知、分析和响应内外环境的刺激，维持内稳态并适应复杂多变的外部环境。人类通过调节呼吸速率和肾脏功能，维持稳定的血液pH值。动物则进化出了pH敏感膜受体，如G蛋白偶联受体4 (GPR4)，以监测与其生理相关的pH变化，并产生适应性反应。然而，GPR4感知质子的进化轨迹和结构机制尚不明确。

　　2025年1月2日，山东大学基础医学院/高等医学研究院/卫健委耳鼻喉重点实验室孙金鹏教授团队联合山东大学基础医学院易凡教授团队、四川大学华西医院邓成教授团队，在Cell杂志在线发表了题为“Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4”的研究论文。

　　山东大学高等医学研究院博士后文鑫，山东大学基础医学院博士后尚攀，四川大学华西医院博士后陈海迪，山东大学高等医学研究院研究员郭璐璐，山东大学基础医学院博士研究生荣乃康、蒋晓钰，硕士研究生李瑄和中南大学湘雅医院博士研究生刘俊彦为本文的共同第一作者。

　　该研究从进化、功能和结构角度，阐释了不同物种GPR4在质子感知中的共同机制以及物种特异性的独特机制，进一步描述了特定的质子感知GPCR是如何进化以适应不同生物的不同生活方式。

　　在进化过程中，动物不断发展出适应其栖息地（如海洋、河流、热带雨林、高原和沙漠等）的生理机制，以应对不同环境中质子浓度的变化。值得注意的是，这些不同环境中的氢离子(质子)浓度差异很大。通常，腐烂有机物越多的栖息地越酸性，植物越少的栖息地可能是碱性的。生物体暴露的皮肤、眼睛或舌头与环境直接接触，可能能够辨别环境pH值的变化。此外，血液、尿液和体内其他组织的pH值可能会随着动物适应其环境的生命活动而变化。例如，动物酸中毒的发生代表一种代谢紊乱，当血液 pH 值与CO密切相关时就会出现CO2浓度低于正常范围。此外，CO2在血液中可能会根据呼吸频率发生显著变化。

　　在水生脊椎动物向陆生脊椎动物进化的过程中，发生了一个重大而基本的变化，即从水生叶鳍鱼类向呼吸空气的两栖动物的转变。大约在4.5亿年前，硬骨鱼的祖先为登陆创造了条件。在肉鳍鱼类物种(包括肺鱼)中，肺的呼吸功能进一步增强，在四足动物中进一步进化。导致羊膜炎。陆地脊椎动物的血液pH值范围(7.30-7.50)保持不变，为细胞酶活性和膜完整性创造最佳环境。在现存的肺呼吸四足动物中，一个重要的呼吸机制从早期祖先开始就保持不变，即血液CO2/H+的检测，这是由膜受体GPR4介导的。

　　值得注意的是，这些脊椎动物的呼吸冲动是由血液中CO2的积累触发的。当面临呼吸性酸中毒时， 所有脊椎动物都使用细胞内外液中的缓冲液作为抵御pH值变化的第一道防线。呼吸性酸中毒期间脊椎动物酸碱平衡的典型特征是调节细胞外pH值(血液pH值)水平。如果呼吸性酸中毒是由于二氧化碳排泄受阻引起的，pH值会降至正常范围以下；例如，这个过程发生在潜水过程中。

　　两栖动物是从水生生物向陆生生物过渡的分支，多数现存的两栖动物，如蟾蜍和蛙类，仍然是半水生的，而非洲爪蟾（Xenopus）则几乎完全水生。这些半水生两栖动物可以自愿潜水长达1.5小时甚至更久，但在潜水后并未表现出过度通气现象，而爪蟾则可以潜水长达14小时且不会发生呼吸性酸中毒。于是推测，美洲牛蛙（R. catesbeiana）GPR4（rcGPR4）和热带非洲爪蟾（X. tropicalis）GPR4（xtGPR4）之间的最优pH差异可能与它们的潜水能力相关，从而支持其不同的生活方式。

　　研究人员观察到GPR4活性的最佳pH值与不同物种的血液pH值范围呈正相关。通过在不同pH条件下解析热带爪蟾GPR4 (xtGPR4)和小家鼠GPR4 (mmGPR4)的7-冷冻电镜(cryo-EM)结构，确定HECL2-45.47和H7.36的质子化能够建立极性网络，使细胞外环2 (ECL2)和7跨膜(7TM)结构域之间更紧密地结合，以及保守的传播路径，这是不同物种质子化诱导GPR4激活的共同机制。此外，不同的细胞外HECL2-45.41的质子化有助于xtGPR4更酸性的最佳pH范围。

　　总的来说，该研究揭示了GPR4在进化过程中如何适应周围环境和pH，感知质子和调节酸碱平衡，发现了多种物种血液pH与GPR4活性最佳pH成正相关。同时阐释了不同物种中质子化诱导GPR4激活的共同机制和独特的适应机制，对质子感知受体如何激活和传递提供了相关见解。