• <menu id="iyemg"></menu>
  • <input id="iyemg"><tt id="iyemg"></tt></input>
  • <input id="iyemg"><u id="iyemg"></u></input>
  • Nat Comm | 楊帆/楊巍/楊仕隆聯合團隊解析薄荷醇激活離子通道結構機制 ​

    來源 :基礎醫學系    發布時間 :2020-08-02    瀏覽次數 :1122

    在炎熱的夏日,來上一杯冰爽的薄荷飲料別提多爽快了;在昏昏欲睡的時候,嚼一顆薄荷口香糖也很提神醒腦。在薄荷中,引起清涼感覺的主要化學成分是薄荷醇 (menthol) [1];而在動物體內,Transient Receptor Potential melastatin 8 TRPM8)離子通道是薄荷醇的主要受體[2, 3]。該通道可以被薄荷醇打開,進而引起動作電位,讓人產生涼爽的感覺。雖然TRPM8通道與數個人工激動劑、抑制劑結合狀態的高分辨率三維結構已經得到解析[4-6],但是其天然激動劑薄荷醇是如何結合并激活該通道的分子機制一直未被闡明。

    2020729日,來自浙江大學基礎醫學院生物物理學系的楊帆課題組、楊巍課題組和東北林業大學的楊仕隆課題組在Nature Communications雜志上發表研究論文 “Molecular mechanisms underlying menthol binding and activation of TRPM8 ion channel” 來探索上述機制。

    該論文首先通過基于TRPM8通道結構的分子計算對接,預測了薄荷醇與TRPM8通道的一系列相互作用。研究人員進而在預測的TRPM8的配體結合口袋里引入了一系列氨基酸點突變,通過基于電生理膜片鉗記錄的雙突變循環實驗策略,得到薄荷醇、薄荷醇類似物和TRPM8突變體之間的結合能。電生理實驗結果與分子對接結果相吻合,即薄荷醇通過 “grab and stand”機制與TRPM8通道結合,即薄荷醇的羥基像“手”一樣,通過氫鍵“抓緊”TRPM8的第四個跨膜區(S4)上的R842位點;而薄荷醇的異丙基像“腳”一樣,通過范德華力“站在”L843I846位點上。

    為了闡明薄荷醇打開TRPM8通道時引起的動態構象變化,研究人員在活細胞中將熒光非天然氨基酸ANAP標記在TRPM8通道的各個關鍵位置,觀察到了薄荷醇激活TRPM8過程中的ANAP熒光光譜變化,表明薄荷醇的結合引起了TRPM8通道跨膜區的廣泛構象變化。應用薄荷醇引起的ANAP熒光光譜變化的實驗數據作為限制條件,該研究使用Rosetta計算生物學平臺上構建了TRPM8的開放態模型,為理解薄荷醇激活TRPM8通道的完整結構機制提供了強有力的支撐。

    為了進一步闡明薄荷醇引起的動態構象變化的時間順序,研究人員進行了基于單通道電生理記錄的Φ分析,即在特定位點引入數個點突變,通過單通道記錄,測量開放事件與關閉事件的時間長度分布,計算微觀開放速率和關閉速率,進而通過對自由能的擾動大小的計算,推測該特定位點在離子通道被配體激活的動態過程中,發生構象變化的時間先后順序。通過Φ分析,研究人員發現薄荷醇首先引起結合口袋周圍的構象變化,繼而引起S6附近的構象變化,最后導致選擇性濾器附近的構象變化。

    總之,該研究提出了薄荷醇結合并激活TRPM8通道的機制,推進了我們對化學刺激感受的認識,也為該通道為靶點的藥物研發打下堅實的基礎。浙江大學基礎醫學院生物物理學系的博士生徐麗臻同學為該研究的第一作者,該研究的共同通訊作者為浙江大學基礎醫學院生物物理學系的楊帆研究員和楊巍教授,以及東北林業大學的楊仕隆教授。楊帆研究員得到了國自然面上項目、青年項目、浙江省杰青項目等的資助,該研究也得到了浙江大學醫學院公共技術平臺在成像與計算上的支撐。

    原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17582-x


    參考文獻

    1. Eccles, R., Menthol and related cooling compounds. J Pharm Pharmacol, 1994. 46(8): p. 618-30.

    2. McKemy, D.D., W.M. Neuhausser, and D. Julius, Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature, 2002. 416(6876): p. 52-8.

    3. Peier, A.M., A. Moqrich, A.C. Hergarden, A.J. Reeve, D.A. Andersson, G.M. Story, T.J. Earley, I. Dragoni, P. McIntyre, S. Bevan, and A. Patapoutian, A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell, 2002. 108(5): p. 705-15.

    4. Diver, M.M., Y. Cheng, and D. Julius, Structural insights into TRPM8 inhibition and desensitization. Science, 2019.

    5. Yin, Y., S.C. Le, A.L. Hsu, M.J. Borgnia, H. Yang, and S.Y. Lee, Structural basis of cooling agent and lipid sensing by the cold-activated TRPM8 channel. Science, 2019.

    6. Yin, Y., M. Wu, L. Zubcevic, W.F. Borschel, G.C. Lander, and S.Y. Lee, Structure of the cold- and menthol-sensing ion channel TRPM8. Science, 2018. 359(6372): p. 237-241.

    二八杠