鸭嘴兽为啥不耐热?中科院研究员探讨哺乳动物温感进化之旅

【字体: 时间:2019年05月28日 来源:赛业生物

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  中国科学院昆明动物研究所赖仞研究员和杨仕隆研究员,浙江大学杨帆教授以及加州大学戴维斯分校郑劼教授等人在Nature Communications杂志发表题为“Molecular Basis for Heat Desensitization of TRPV1 Ion Channels”文章。

  

辣椒素受体(transient receptor potential vanilloid 1,TRPV1)离子通道是哺乳动物面对高温警报的分子传感器,有着受热激活和高温介导失活的特点,因其在热活化(heat-induced activation,Ah)后紧跟着发生快速热脱敏(desensitization,Dh),导致其在持续热反应中的作用知之甚少。

中国科学院昆明动物研究所赖仞研究员和杨仕隆研究员,浙江大学杨帆教授以及加州大学戴维斯分校郑劼教授等人借助嵌合体构建、非天然氨基酸标记、荧光共振能量转移和变构构象模拟等技术,对小鼠TRPV1通道(mV1)和鸭嘴兽TRPV1通道(pV1)进行了比较研究,阐明了Dh的生理作用和结构基础。研究结果发表在5月14日的Nature Communications杂志,题目为“Molecular Basis for Heat Desensitization of TRPV1 Ion Channels”。

研究发现,小鼠mV1的N端和C端在Dh时存在相互作用,而鸭嘴兽pV1不具有这一特征,因此也不具有这一变构过程。当他们将小鼠mV1的N端和C端嫁接给pV1,进而构建携带大部分pV1结构的嵌合通道,命名为pV1_mNC,令人惊讶的是,对比野生型,pV1_mNC在40℃高温情况下同样表现出了Dh作用,换句话说,pV1_mNC的跨膜结构域能够支持Ah和Dh,鸭嘴兽pV1缺乏Dh的原因很可能来自N端或/和C端变化。

鸭嘴兽是地球上唯一的卵生哺乳动物,距今2500万年前就已出现,至今仍生活在澳大利亚,分布范围小。肥胖的身体、扁扁的嘴巴还有一双呆萌的小眼睛,它们大多数时间都待在水里,能在较冷的水域中保持温暖,冬季不活动或冬眠。虽为哺乳动物但它们缺乏完善的体温调节能力,在环境温度降低到0℃时,其体温在20-30℃之间波动;当环境温度上升至30-35℃时,则失去热调节机制而死亡。

文章共同一作罗雷博士、王云飞博士及李博文博士为进一步探究TRPV1的结构变化模式是否影响哺乳动物耐热,通过添加不同长度的游离C端肽,在表征了mV1的Dh,并重新建立了远端N和C端模型后,弥补了已发表的单粒子冷冻电镜(cryo-EM)缺失的部分远端N和C。

比对pV1和其他哺乳动物TRPV1通道序列,在C端找出了几个高度鸭嘴兽特意的氨基酸位点,随即构建鸭嘴兽trpv1基因敲入小鼠(由赛业生物提供)——p-trpv1小鼠。除了N端和C端,TRPV1的转录水平以及其他已知的热感受相关通道都不发生改变。令人惊讶的是, 在甩尾和热板试验中,野生型小鼠比p-trpv1小鼠更加耐受长时程热刺激(45℃),而p-trpv1小鼠需要通过持续行走来规避热板刺激。不仅如此,长时程的热板刺激使p-trpv1小鼠足底形成灼伤迹象,但对野生型小鼠并无显著影响。

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研究揭示了TRPV1通道门控的变构性质在很大程度上决定了这些通道的生理功能。先前的KO小鼠研究证明TRPV1有助于哺乳动物热传感生理,但由于Dh和Ah过程的紧密耦合导致观察结果远不够清晰。但本实验所构建的转基因p-trpv1小鼠清楚地阐明了这一点,揭示了Dh对生活在高温环境中的哺乳动物具有重要的保护作用。鸭嘴兽作为最原始的哺乳动物之一,其TRPV1尚未进化出高温介导的“激活-失活”平衡机制。因此鸭嘴兽对高于临界温度的环境极其敏感,难以适应其他陆地生存环境,新TRPV1模型证明了热失活分子机制对哺乳动物进化的重要生物学意义。

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原文检索:Molecular basis for heat desensitization of TRPV1 ion channels,Nature Communications

(生物通:伍松)

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