《自然》：孙金鹏/高宁团队合作揭示痒觉感知的分子机制
北京时间2021年11月18日凌晨0时，国际学术期刊《自然》（Nature）在线发表了孙金鹏团队和北京大学高宁团队合作的研究论文——“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；而后为进一步揭示其识别机制，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。
该研究系统地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了理论及结构基础。
痒觉是动物进化过程中出现的一类重要的感知系统。相比于视觉、听觉、嗅觉、痛觉、温度感知等感觉系统，痒觉的研究起步较晚，早期研究中，人们认为“痒”和“痛”是由同一类神经元介导，因此提出了“强度编码理论”（Intensity-coding theory），即低放电频率刺激下，神经元活动会导致瘙痒，但在高放电频率下刺激会被转化为疼痛。随着研究的深入，这种理论遇到越来越多的挑战，2012年美国科学院院士董欣中教授研究团队发现在背根神经节中有一种特殊的感受器可以感知氯喹及脑啡肽原降解产物（BAM8-22）引起的瘙痒信号，但这些信号不能引起疼痛【1】，而后小鼠中此受体被命名为MRGPRA3，人类基因组中其同源基因为MRGPRX1。由此，痒觉受体家族逐渐被人们熟知。
目前痒觉的感知分子已经逐渐清晰，痒觉受体Mas-related G protein coupled receptors (MRGPRs)，属于G蛋白偶联受体（GPCR）家族，是脊椎动物从硬骨鱼之后进化出现四肢、产生抓挠行为之后伴随产生的一类受体，主要包括MRGPRX和MRGPRA-H九个亚家族，由50多个成员组成。其中MRGPRX2主要分布在肥大细胞（mast cell）中, 可以感知包括聚阳离子化合物和多肽等在内的多种分泌素（secretagogues），引发肥大细胞非FcεRI（IgE receptors）依赖的脱颗粒反应，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。例如万古霉素引起的红人综合征（red man syndrome，RMS）【2】，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。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反应，导致药效无法有效发挥【3】。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。
最新这篇论文的具体发现包括：
01
与传统GPCR不同，MRGPRX2有相对较浅的结合口袋
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 的距离都要比传统经典GPCR（如大麻素受体CB1）远很多（图二），这类受体有着较浅的配体结合口袋，也正是这种浅表的配体受体结合模式以及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
02
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φp9(X0-1) 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
03
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。
本研究得到国家重点研发计划基金、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金的支持。
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 （Nat Chem Biol, 2018 Sep）【4】, （Nature，2020 Nov）【5】, （Nature，2021 Jan）【6】, （Cell, 2021 Feb）【7】等。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04077-y
参考文献
1,Han, L. et al. A subpopulation of nociceptors specifically linked to itch. Nat Neurosci 16, 174-182, doi:10.1038/nn.3289 (2013).
2,Azimi, E., Reddy, V. B. & Lerner, E. A. Brief communication: MRGPRX2, atopic dermatitis and red man syndrome. Itch (Phila) 2, doi:10.1097/itx.0000000000000005 (2017).
3,McNeil, B. D. et al. Identification of a mast-cell-specific receptor crucial for pseudo-allergic drug reactions. Nature 519, 237-241, doi:10.1038/nature14022 (2015).
4,Yang, F. et al. Allosteric mechanisms underlie GPCR signaling to SH3-domain proteins through arrestin. Nat Chem Biol 14, 876-886, doi:10.1038/s41589-018-0115-3 (2018).
5,Yang, F. et al. Structural basis of GPBAR activation and bile acid recognition. Nature 587, 499-504, doi:10.1038/s41586-020-2569-1 (2020).
6,Ping, Y. Q. et al. Structures of the glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-Go complex. Nature 589, 620-626, doi:10.1038/s41586-020-03083-w (2021).
7,Xiao, P. et al. Ligand recognition and allosteric regulation of DRD1-Gs signaling complexes. Cell 184, 943-956 e918, doi:10.1016/j.cell.2021.01.028 (2021).
编辑 | 余 荷
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