专家点评Nature | 孙金鹏/高宁团队合作揭示了痒觉感知的分子机制

点评 | 刘志杰（上海科技大学）

责编 | 兮

 

感觉是人类感知外界的基本反应及复杂认知活动的基础。人类为了更好的适应周围环境，进化出多种感觉系统，包括痛觉、 听觉、视觉、嗅觉、温度、机械力、痒觉等。这些感觉系统对人类的生存活动至关重要，并且建立了人们与周围环境的交流与互动。正因为这些感觉机制非常重要，目前视觉、痛觉、嗅觉、温度、压力等感觉系统的研究都已获得了诺贝尔奖，最近一次是今年刚刚颁布的压力和温度感知的离子通道获得2021年诺贝尔生理学的研究（2021诺贝尔生理或医学奖背后的小故事）。相对于其他感觉系统，痒觉的研究虽然起步较晚，但目前其感知分子已经逐渐清晰，其中华人科学家董欣中就做了许多开创性的工作。  

在进化过程中，脊椎动物从硬骨鱼之后开始出现四肢，四肢的出现给动物带来诸多便利：在空间上动物可以利用四肢支撑身体、脱离地面并不断适应体重的变化；动物利用四肢可以进行快速运动，在捕捉猎物时可以瞬间奔跑；动物还可以利用四肢进行防御或者攻击。与此同时，动物进化出四肢之后便产生了抓挠行为，这种抓挠行为有效的防止了寄生虫、细菌及其他病原生物对身体的侵害。非常有趣的是：动物出现四肢后，伴随着抓挠行为产生了一类专门感知痒觉、疼痛和炎症的受体，称为Mas-related G protein coupled receptors (MRGPRs)。

 

MRGPRs属于G蛋白偶联受体（GPCR）家族，在啮齿动物和人类中约有50 名成员，人源中分为八个亚家族，其中MRGPRX2主要分布在肥大细胞（mast cell）中, 它可以感知包括聚阳离子化合物和多肽等多种分泌素（secretagogues）引发肥大细胞脱颗粒反应，进而引起假过敏反应（pseudoallergic reactions）。虽然瘙痒可以引发抓挠行为，对机体起到防御保护作用，但受体过度激活会导致过敏、炎症、等多种疾病的发生。例如万古霉素引起的红人综合征（red man syndrome，RMS），是一种包括脸部、颈部和上半身的发痒的红斑性皮疹，其发生机制为抗生素和毒素通过与肥大细胞上的MRGPRX2相互作用引起脱颗粒，进而介导该疾病的发生。另外值得关注的是，许多FDA批准的药物如利拉鲁肽、恩夫韦肽、亮丙瑞林等都可以通过激活MRGPRX2在过敏患者中诱发瘙痒症状及过敏性反应，导致这些药物不能有效发挥作用。因此从分子层面解析MRGPRX2如何识别不同的配体并激活下游通路，对于理解痒觉感知产生的机制及靶向该受体的新药研发具有重大意义。

 

图一  不同配体作用下痒觉受体MRGPRX2与Gi蛋白三聚体复合物的结构

 

2021年11月17日，北京大学/山东大学孙金鹏团队和北京大学高宁团队合作在Nature上发表了研究论文“Structure, function and pharmacology of human itch receptor complexes”。该研究中，研究团队先是对痒觉受体MRGPRX2对多肽和过敏性药物的感知药理学进行了详细的表征。为进一步揭示其设别机制，团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了不同配体作用下痒觉受体MRGPRX2与Gi蛋白三聚体复合物的结构（图一），发现了痒觉受体非常独特的配体识别口袋；并结合生化和细胞实验揭示了痒觉受体识别不同配体的通用机制，发现了痒觉受体特有的激活方式，该研究系统的揭示了痒觉感知的分子机制，为靶向痒觉受体的药物开发提供理论及结构基础。

 

具体发现包括：

1、与传统GPCR不同MRGPRX2有着较浅的结合口袋

从MRGPRX2复合物结构中，研究者发现不论化合物配体还是多肽配体与Toggle switch 的距离都要比传统的GPCR（如大麻素受体CB1）远很多（图二），所以这类受体有着不同于传统GPCR的较浅的配体结合口袋，也正是这种较浅的配体与受体的结合模式以及N端及胞外环的可塑性造就了痒觉受体配体的多样性，这也很好的解释了为什么痒觉受体家族在不断演化的过程中，能够识别多种多样的有害刺激从而引发瘙痒。

图二  MRGPRX2受体与CB1受体配体结合口袋的比较

 

2、揭示了MRGPRX2 识别多聚阳离子化合物及短肽的通用机制

许多带有正电荷的碱性小分子，如含有THIQ motif (tetrahydroisoquinoline)的化合物均可以激活MRGPRX2引起肥大细胞脱颗粒反应进而引发瘙痒，这些碱性化合物由于带有大量正电荷对细胞产生很大损伤，研究人员解析了在带有阳离子的碱性小分子化合物compound 48/80 (C48/80)作用下，MRGPRX2与Gi 三聚体复合物的结构，发现受体上分别由E164/D184 和D254形成的两个酸性口袋可以识别化合物上正电荷的碱性基团（图三），并且这类小分子有着共同的特征：两个带正电荷的原子之间隔了8-10个碳原子，空间距离大约是13 Å左右。

另外许多内源短肽以及FDA批准的多种短肽类药物也可以激活MRGPRX2，引起肥大细胞脱颗粒反应，研究人员通过分析多个短肽的结构及生化细胞数据，发现了受体识别短肽类配体的通用基序，即φ^p9(X_0-1) R/Kp10(X2) φp13(X2-3) φp16(X3) R/Kp20（图三），含有该基序的短肽可以激活MRGPRX2引起瘙痒。该研究深入揭示了痒觉受体识别不同配体的通用机制，为临床开发避免瘙痒等副作用的药物提供了理论依据。

 

图三  MRGPRX2受体识别配体的通用机制

 

3、发现了MRGPRX2 独特的激活机制

传统的GPCR通过第六个跨膜螺旋（TM6）中 “toggle switch” 色氨酸 W6.48的构象改变使受体激活，但在MRGPRX2中，该位置的W6.48被甘氨酸G6.48替代 ，更有趣的是，G6.48与TM3上的Y3.36形成氢键，使TM6形成一个显著的上侧弯折，这种特殊的结构方式介导了痒觉受体MRGPRX2的激活，同时TM6中参与激活的关键motif  G6.48XXF6.52以及TM3中Y3.36在整个MRGPRX家族都是保守的（图四），因此这是痒觉受体特有的全新激活模式，这些新的发现扩展了人们对GPCR激活机制的认识。

图四  MRGPRX2受体的激活机制

 

杨帆教授及山东大学基础医学院博士生郭璐璐、张超等，北京大学基础医学院博士后李余博士及北京大学生命科学学院王国鹏博士为本文的共同第一作者；孙金鹏教授和高宁教授为本论文共同通讯作者。

 

高宁教授课题组致力于阐明细胞内大型蛋白-核酸复合物形成的分子机器的精细结构及工作分子机制，近年来的科研工作着重于DNA复制起始的调控、蛋白质生物合成的调控、核糖体的生物生成等重要基础生物学过程，同时还致力于冷冻电镜方法学的研究。孙金鹏教授课题组长期从事GPCR信号转导和功能的研究，提出了GPCR受体磷酸化编码的功能及时序学说，多聚脯氨酸码头分选理论，与合作者一起发现了AT1R受体的内源性配体，发现并鉴定了糖皮质激素的膜受体等，近期文章以通讯和共通讯连续发表在 （NCB, 2018，Sep）, （Nature，2020，Nov）, （Nature，2021，Jan）, （Cell, 2021，Mar）等。

指的一提的是，在同期，来自北卡罗来纳大学教堂山分校的Bryan L. Roth/ Jonathan F. Fay团队与加州大学旧金山分校的Brian K. Shoichet团队合作发表了背靠背文章“Structure, function and pharmacology of human itch GPCRs”的文章，通过冷冻电镜解析了与痒感知相关的GPCR孤儿受体MRGPRX2和MRGPRX4的三维结构，并通过大量的功能实验研究探索了其相关功能。与此同时，在该文章中，作者还分别针对这两个蛋白开发了目前为止最为高效的拮抗剂和激动剂，为对这些蛋白的进一步研究提供了有力的工具，并且具有非常重要的药物学价值（见BioArt另一条推文）。

 

专家点评

刘志杰 （上海科技大学教授，大道书院院长，iHuman研究所执行所长）

 

膜受体是感知视觉、气味、触觉和温度，以及快乐荷尔蒙多巴胺及肾上腺素等外界环境变化和体内荷尔蒙作用的重要感受器，其机制研究先后获得诺贝尔奖，比如，George Wald因揭示了视网膜紫质感光的生化反应获得1967年诺贝尔生理学奖，多巴胺作用及其受体的发现获得2000年诺贝尔奖，嗅觉感知分子研究获得了2004年诺贝尔生理学奖，肾上腺素的感知和信号转导获得了2012年诺贝尔化学奖，而温度和触觉的感知获得了今年的生理或医学诺贝尔奖。这其中，温度和触觉的感知是通过离子通道，而视觉、嗅觉、多巴胺和肾上腺素的感知则都依赖于7次跨膜受体-G蛋白偶联受体（GPCR）。

GPCR的结构生物学研究对于阐明GPCR介导以上所述生理过程的具体机制，指导临床药物研发具有重要意义，例如我们实验室针对大麻素受体CB1（Cannabinoid Receptor 1, CB1）、大麻素受体CB2（Cannabinoid Receptor 2, CB2）和5HT2C的结构和功能研究阐明了受体识别大麻素和五羟色胺的具体过程，为设计靶向CB1、CB2和5HT2C的药物研发以及治疗提供了重要的理论依据和思路，是治疗神经退行性及情绪类疾病、肥胖、疼痛、抑郁、肝纤维化、炎症等疾病的重要靶点。又如趋化因子受体CXCR2 (CXC chemokine receptor 2)与趋化因子白细胞介素IL8 (Interleukin 8)及下游信号转导分子G蛋白三元复合物的冷冻电镜结构以及CXCR2与潜在癌症治疗药物分子复合物的晶体结构的研究，为精准的新型抗癌药物设计开启新篇章。

孙金鹏教授带领的研究团队主要从事GPCR的药理学研究，前期有非常出色的信号转导和功能研究积累，在冷冻电镜技术逐渐普及后，近期结合结构生物学开展GPCR的药理学研究。最近，孙金鹏团队通过和北京大学生命科学学院高宁团队合作，应用冷冻电镜技术解析了五种不同配体结合条件下的痒觉感知受体MRGPRX2与Gi 蛋白三聚体复合物的结构，结合详尽的药理学分析揭示了痒觉受体MRGPRX2对多肽及过敏性药物致痒性感知的分子机制。该团队发现痒觉受体MRGPRX2相对于传统GPCR有着较浅的配体识别口袋，提示这种较浅的配体识别模式可能是其进化不保守的基础，从而产生适应环境改变的可塑性。作者通过比较四种配体（C48/80、PAMP-12、C14、SP）与痒觉受体MRGPRX2的结合模式，发现E164/D184 和D254形成的两个酸性口袋对于化合物和多肽类致痒物的识别至关重要。团队还提出了受体识别短肽类配体的通用基序，这对于临床药物研发中避免引起瘙痒并发症具有重要意义，因而这一发现对于抑制或减轻瘙痒症状的药物研发具有重要指导意义。此外，作者通过结构比较发现：传统GPCR 激活所必须的W6.48在痒觉受体MRGPRX2中被G6.48替代，并且在痒觉受体家族中是高度保守的，提示痒觉受体家族具有独特而高度保守的激活机制。

总之，该研究分别从原子分辨率和药理学深度阐释了痒觉受体家族感知致痒物并进行信号转导的分子机制，建立了痒觉感知的重要生化理论基础，为止痒药物研发提供了重要的理论和实验依据。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04077-y

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04126-6

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