癢覺是動物進化過程中出現(xiàn)的一類重要的感知系統(tǒng)。相比于視覺、聽覺、嗅覺、痛覺、溫度感知等感覺系統(tǒng)，癢覺的研究起步較晚。2012年美國科學院院士董欣中教授研究團隊發(fā)現(xiàn)在背根神經節(jié)中有一種特殊的感受器可以感知氯喹及腦啡肽原降解產物（BAM8-22）引起的瘙癢信號，但這些信號不能引起疼痛，而后小鼠中此受體被命名為MRGPRA3，自此，癢覺受體家族逐漸被人們熟知。

MRGPRs屬于G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）家族，在嚙齒動物和人類中約有50 名成員，人源中分為八個亞家族，其中MRGPRX2主要分布在肥大細胞（mast cell）中, 它可以感知包括聚陽離子化合物和多肽等多種分泌素（secretagogues）引發(fā)肥大細胞脫顆粒反應，進而引起假過敏反應（pseudoallergic reactions）。雖然瘙癢可以引發(fā)抓撓行為，對機體起到防御保護作用，但受體過度激活會導致過敏、炎癥、等多種疾病的發(fā)生。例如萬古霉素引起的紅人綜合征（red man syndrome，RMS），是一種包括臉部、頸部和上半身的發(fā)癢的紅斑性皮疹，其發(fā)生機制為抗生素和毒素通過與肥大細胞上的MRGPRX2相互作用引起脫顆粒，進而介導該疾病的發(fā)生。另外值得關注的是，許多FDA批準的藥物如利拉魯肽、恩夫韋肽、亮丙瑞林等都可以通過激活MRGPRX2在過敏患者中誘發(fā)瘙癢癥狀及過敏性反應，導致這些藥物不能有效發(fā)揮作用。因此從分子層面解析MRGPRX2如何識別不同的配體并激活下游通路，對于理解癢覺感知產生的機制及靶向該受體的新藥研發(fā)具有重大意義。

圖1 不同配體作用下癢覺受體MRGPRX2與Gi蛋白三聚體復合物的結構

2021年11月17日，醫(yī)學部孫金鵬教授和生命科學學院高寧教授聯(lián)合團隊在Nature上發(fā)表了研究論文“Structure,function and pharmacology of human itch receptor complexes”。該研究中，研究團隊先是對癢覺受體MRGPRX2對多肽和過敏性藥物的感知藥理學進行了詳細的表征。為進一步揭示其識別機制，團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了不同配體作用下癢覺受體MRGPRX2與Gi蛋白三聚體復合物的結構（圖1），發(fā)現(xiàn)了癢覺受體非常獨特的配體識別口袋；并結合生化和細胞實驗揭示了癢覺受體識別不同配體的通用機制，發(fā)現(xiàn)了癢覺受體特有的激活方式，該研究系統(tǒng)的揭示了癢覺感知的分子機制，為靶向癢覺受體的藥物開發(fā)提供理論及結構基礎。

具體發(fā)現(xiàn)包括：

1、與傳統(tǒng)GPCR不同MRGPRX2有著較淺的結合口袋

從MRGPRX2復合物結構中，研究者發(fā)現(xiàn)不論化合物配體還是多肽配體與Toggle switch 的距離都要比傳統(tǒng)的GPCR（如大麻素受體CB1）遠很多（圖2），所以這類受體有著不同于傳統(tǒng)GPCR的較淺的配體結合口袋，也正是這種較淺的配體與受體的結合模式以及N端及胞外環(huán)的可塑性造就了癢覺受體配體的多樣性，這也很好的解釋了為什么癢覺受體家族在不斷演化的過程中，能夠識別多種多樣的有害刺激從而引發(fā)瘙癢。

圖2 MRGPRX2受體與CB1受體配體結合口袋的比較

2、揭示了MRGPRX2 識別多聚陽離子化合物及短肽的通用機制

許多帶有正電荷的堿性小分子，如含有THIQ motif （tetrahydroisoquinoline）的化合物均可以激活MRGPRX2引起肥大細胞脫顆粒反應進而引發(fā)瘙癢，這些堿性化合物由于帶有大量正電荷對細胞產生很大損傷，研究人員解析了在帶有陽離子的堿性小分子化合物compound 48/80 （C48/80）作用下，MRGPRX2與Gi 三聚體復合物的結構，發(fā)現(xiàn)受體上分別由E164/D184 和D254形成的兩個酸性口袋可以識別化合物上正電荷的堿性基團（圖3）。

另外許多內源短肽以及FDA批準的多種短肽類藥物也可以激活MRGPRX2，引起肥大細胞脫顆粒反應，研究人員通過分析多個短肽的結構及生化細胞數據，發(fā)現(xiàn)了受體識別短肽類配體的通用基序，即φp9（X0-1） R/Kp10（X2） φp13（X2-3） φp16（X3） R/Kp20（圖3），含有該基序的短肽可以激活MRGPRX2引起瘙癢。該研究深入揭示了癢覺受體識別不同配體的通用機制，為臨床開發(fā)避免瘙癢等副作用的藥物提供了理論依據。

圖3 MRGPRX2受體識別配體的通用機制

3、發(fā)現(xiàn)了MRGPRX2 獨特的激活機制

傳統(tǒng)的GPCR通過第六個跨膜螺旋（TM6）中 “toggle switch” 色氨酸 W6.48的構象改變使受體激活，但在MRGPRX2中，該位置的W6.48被甘氨酸G6.48替代 ，更有趣的是，G6.48與TM3上的Y3.36形成氫鍵，使TM6形成一個顯著的上側彎折，這種特殊的結構方式介導了癢覺受體MRGPRX2的激活，同時TM6中參與激活的關鍵motif G6.48XXF6.52以及TM3中Y3.36在整個MRGPRX家族都是保守的（圖4），因此這是癢覺受體特有的全新激活模式，這些新的發(fā)現(xiàn)擴展了人們對GPCR激活機制的認識。

圖4 MRGPRX2受體的激活機制

在同期，來自北卡羅來納大學教堂山分校的Bryan L. Roth/Jonathan F. Fay團隊與加州大學舊金山分校的Brian K. Shoichet團隊合作發(fā)表了背靠背文章“Structure, function and pharmacology of human itch GPCRs”，通過冷凍電鏡解析了與癢感知相關的GPCR孤兒受體MRGPRX2和MRGPRX4的三維結構，并通過大量的功能實驗研究探索了其相關功能。該文章與本文的工作相互映襯。

總之，該研究分別從原子分辨率和藥理學深度闡釋了癢覺受體家族感知致癢物并進行信號轉導的分子機制，建立了癢覺感知的重要生化理論基礎，為止癢藥物研發(fā)提供了重要的理論和實驗依據。

孫金鵬課題組楊帆博士、博士生郭璐璐、王佳、張超、高寧課題組博士生李余（已畢業(yè)，現(xiàn)為北京大學基礎醫(yī)學院博士后）及北京大學生命科學學院王國鵬博士為本文的共同第一作者；孫金鵬和高寧為本論文共同通訊作者。本研究受到國家自然科學基金委和科技部的經費資助，以及北京大學冷凍電鏡平臺、電鏡實驗室、高性能計算平臺、生科院儀器中心、國家蛋白質基礎設施（北大分平臺）的技術支持。

來源：北京大學