瘙癢及其抓撓反應是許多動物的正常生理保護及防禦反應。在硬骨魚和四足動物分化之後，動物才可以用手腳抓撓以清除皮膚上的寄生蟲或其他不需要的刺激。背根神經節(DRG)中的初級感覺神經元背根神經(DRG)中的初級感覺神經元在探測、傳遞和調節感覺信號方麵發揮著重要作用，傳遞和調節從外周(皮膚)到脊髓的包括癢和痛在內的感覺信號方麵發揮著重要作用。為了建立有效的檢測-抓撓反應周期，四足動物發展出一個由七種跨膜受體組成、其中許多是在脊髓中表達的Mas相關 GPCRs(MRGPRs)。然而，持續存在且無法解決的瘙癢通常是一種令人不快的疾病，嚴重時可能導致抑鬱和各種精神疾病。
因此，我們希望了解MRGPRs 在生理和病理條件下支持癢信號轉導的分子機製，將有助於開發治療瘙癢症的療法。其中MRGPRX1是Msa相關癢覺受體家族成員之一，主要表達在DRG，能夠被 γ2-黑素細胞刺激素(γ2-MSH)、牛腎上腺髓質肽(BAM)8-22以及具有難以忍受的瘙癢副作用抗瘧藥物氯喹(CQ)等激活，進而激活Gi 和 Gq 信號引起瘙癢。以MRGPRX1為靶點，了解癢覺的結構基礎以及外周神經係統的感覺過程，將對開發的治療癢相關疾病和中樞神經係統疼痛的藥物具有重要意義。
2023年8月17日，由山東大學孫金鵬教授和徐華強教授主體設計並啟動的癢覺受體工作，山東大學孫金鵬教授、上海藥物研究所徐華強教授、山東大學楊帆教授、南方醫科大學劉忠民教授及廣州中醫藥大學周玖瑤教授為通訊作者，合作在Nature communications上在線發表了研究論文“Ligand recognition and G protein coupling of the human itch receptor MRGPRX1”。研究團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了2種不同配體作用下MRGPRX1與Gi及Gq蛋白三聚體複合物的結構(圖一)，發現了癢覺受體獨特的結構及配體結合口袋，揭示了癢覺受體MRGPRX1識別配體的結構機製，闡明了短肽配體激活MRGPRX1的通用motif，解析了MRGPRX1與Gi和Gq偶聯的結構差異，該研究係統地揭示了MRGPRX1所介導的瘙癢的分子機製，為靶向癢覺受體的藥物開發提供理論及結構基礎。
具體發現包括：
1.癢覺受體MRGPRX1有著較淺的配體結合口袋
從MRGPRX1的結構可以看到，與大多數classA家族的GPCRs不同，MRGPRX1的配體結合口袋較淺，配體與保守的“toggle switch”位點G2296.48的垂直距離在12.8 Å to 17.9 Å之間。這與課題組前期解析的同家族MRGPRX2受體的結合口袋特征相似(Nature. 2021 Dec;600(7887):164-169)，表明可塑性顯著的淺結合口袋是這一類受體的共同特征。
2. 揭示了X1和X2的不同配體結合模式
MRGPRX1的複合物結構中短肽激動劑BAM8-22及CNF-Tx2的結合方式，與MRGPRX2複合物中短肽激動劑C14及PAMP-12完全不同。在MRGPRX2複合物結構中，C14和PAMP-12的結合模式從TM4開始，到TM1和TM2結束。相比之下，MRGPRX1中BAM8-22與CNF-Tx2的結合從N端TM5-TM6開始，到達N端TM4。
重要的是，MRGPRX1和MRGPRX2表現出不同的配體識別模式;MRGPRX2的配體PAMP-12不能激活MRGPRX1, MRGPRX1的配體BAM8-22不能被MRGPRX2識別。這些肽激動劑的不同結合模式表明了不同癢覺受體成員識別不同配體motif。進一步研究發現MRGPRX1和 MRGPRX2所識別的短肽配體motif有所不同。MRGPRX2受體能夠識別的短肽類配體都具有φp9(X0-1) R/Kp10(X2) φp13(X2-3) φp16(X3) R/Kp20的通用motif，而對於MRGPRX1而言，其能夠識別C端φB17(X1-2) RB20φB21motif的短肽。
3. 揭示了MRGPRX1與不同G蛋白的結合模式
如前所述，MRGPRX1可以通過偶聯Gi和Gq引起瘙癢。在本研究中，研究者通過比較MRGPRX1偶聯Gi和Gq的結構發現，相較於Gi，Gq的α5-helix 更多地向 MRGPRX1 的 TM6 和 ICL3 傾斜。在α5-螺旋的 N 端，Gαq 的 Y358G.H5.23與MRGPRX1的Y642.42、F612.39和Y130ICL2形成疏水堆積。Gαq的E357G.H5.22不僅與MRGPRX1的 R131ICL2形成了鹽橋，還與Gαq的 Y358G.H5.23和 MRGPRX1 的 Y130ICL2一起構成極性網絡。
該研究深入闡述了癢覺受體識別不同配體的通用機製，揭示了癢覺受體MRGPR家族相似的可塑性顯著的淺結合口袋，為後續靶向癢覺受體的藥物開發提供了理論依據;同時這也是孫金鵬教授課題組與徐華強教授課題組在癢覺相關受體研究方向的係列工作(Nature.2021 Dec;600(7887):164-169,Cell Res.2023 Feb;33(2):184-187.)。
山東大學郭璐璐研究員，中科院上海藥物所博士生章雨牧，北京大學醫學部鐵璐副教授，山東大學博士生方國興、莊鈺銘，南方科技大學博士生薛晨陽及山東大學劉琪博士，為本文的共同第一作者;孫金鵬教授、徐華強研究員、楊帆教授、劉忠明教授和周玖瑤教授為本論文共同通訊作者。
孫金鵬教授課題組長期聚焦於微環境藥理學，係統性的研究了膜受體感知微環境並調控生理功能的機製，以通訊作者在 Nature(x6)，Science(封麵)，Cell(封麵)，Cell Metab，Nat Chem Biol(x3)，Cell Research(x2)，PNAS(x6)，Nat Commu(x7)等知名雜誌發表90餘篇，在膜受體對微環境感知和配體識別方麵處於國際研究前沿。徐華強教授課題組長期在GPCR功能和信號轉導的結構基礎方麵做前沿性的研究，以通訊作者已在Nature、Science、Cell等雜誌發表論文30餘篇，並獲得專利幾十餘項。該項研究得到國家重點研發計劃基金、國家傑出青年科學基金、自然基金委重點基金和山東省重點研發計劃的支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40705-z.
