2021年诺贝尔奖得主论文:疼痛感受器TRPV1如何感知各种自然刺激?

【字体: 时间:2021年10月09日 来源:medicaltrend

  

结构生物学有助于从分子水平理解宏观现象发生和发展的机理,特别是由于单粒子低温电子显微镜技术的日益成熟和广泛应用。

随着AlphaFold2在蛋白质结构预测方面的出色表现,结构生物学的研究方向和未来也受到了热烈的讨论。

不可否认的是,蛋白质预测将从其他已有的和潜在的角度推动科学研究,基于实验数据的结构生物学需要从更创新、更深刻的角度回答科学问题。

2021年9月7日,美国加州大学旧金山分校Yifan Cheng实验室和David Julius实验室在Cell杂志上发表了题为《Structural snapshots of TRPV1 reveal mechanism of polymodal functionality》的研究论文。

本研究在应用不同自然刺激和模拟不同生理环境的条件下,借助单粒子低温电子显微镜技术,分析了辣椒素受体TRPV1的一系列中间态构象和激活机制。揭示了与多个配体作用位点偶联相关的结构元素,比较了不同大小阳离子通过时蛋白质的行为,探索了激动剂与内源性脂质分子争夺结合位点的定量关系。并描述了酸性条件下的蛋白质构象重排。

该研究的共同通讯作者David Julius教授刚刚因为对辣椒素受体TRPV1的研究获得了今年的诺贝尔生理学或医学奖。

 

2021 Nobel Prize winner Paper: How do pain receptors TRPV1 perceive a variety of natural stimuli?

 

TPRV1是一个非特异性转运的四聚体离子通道,与疼痛和炎症密切相关。它可以被各种自然发生的刺激和细胞外酸性所激活。

TPRV1的天然兴奋剂包括辣椒的活性成分辣椒素(capsaicin),毒蜘蛛产生的多肽毒素(DkTx),从Euphorbia中分离出的树胶脂毒素(RTX)。它还可以感知温度变化(>43°C)。参与人体的体温调节。

由于TPRV1介导的信号传递的重要性,已成为具有临床意义的潜在镇痛靶点。然而,由于其信号整合的复杂性,针对TPRV1的镇痛药的开发和应用仍存在损害体温调节等副作用。

因此,在不同刺激作用下,有必要探索TRPV1激活通路的多样性、独特性和共性,以期为TPRV1靶向药物的开发提供更深刻、更有针对性的指导。

作者将蛋白TPRV1重组到脂质环境中,体外表达并纯化多肽毒素DkTx,并制备两种复合物的冷冻样品。

通过优化样品制备条件和数据处理参数,成功识别出通道关闭和打开时预结合、单结合和双结合的一系列中间结构。

这些逐渐的构象变化,特别是S1-S4结构域从初步构象向完全构象的外移,有力地解释了肽激动剂DkTx如何结合在细胞外侧配对并触发TPRV1的低门控打开。

与DkTx结合位点不同,香草酸激动剂RTX与TPRV1下门所在区域结合,从而直接调控下门的开启状态。在没有配体结合的状态下,TPRV1香草酸激动剂的结合位点被内源性脂质分子PI占据。

这意味着RTX激活TPRV1必须首先竞争性地取代binding pocket中的PI,然后对离子通道起到调节作用。在低盐条件下,作者成功地揭示了RTX分子与PI竞争四个结合口袋的各种可能性,即单个RTX分子、双分子邻位和对位以及三个和四个RTX分子结合。RTX分子每完成一次结合口袋竞争,相应的亚基构象就会发生变化,但只有当四个亚基全部被RTX占据并引起足够的构象变化时,才能显示TPRV1的门控打开。

 

2021 Nobel Prize winner Paper: How do pain receptors TRPV1 perceive a variety of natural stimuli?

 

机体局部组织中的酸积累也可以开启TPRV1的信号转导。以往的功能实验证明TRPV1胞外侧的两个氨基酸构成了对酸响应的关键位点。基于分解的多个中间态构象,作者直接观察了这两个氨基酸位置是如何在酸性条件下发生局部结构变化并逐渐影响TPRV1构象的。

虽然这些中间态不是完全开放状态,但与DkTx作用类似的S1-S4结构域的构象变化解释了酸性环境,促进TPRV1的开放。

作者进一步探讨了TPRV1对大阳离子(如NMDG)的传输机制。通过在溶液中加入大型阳离子和制备冷冻样品,作者解决了TPRV1的多种构象。这些构象涵盖了NMDG是如何使细胞外的孔面积扩大并逐渐进入离子传输通路的。

这些发现证实了TPRV1对不同生理环境的适应性,以及介导不同大小离子跨膜运输的机制。

加州大学旧金山分校博士后Kaihua Zhang博士是这篇论文的第一作者。美国加州大学旧金山分校生物化学与生物物理系的Yifan Cheng教授和生理学系的David Julius教授是共同通讯作者。

David Julius实验室在1997年发现了TRPV1,并确认了它是一种可以被热和辣椒素激活而引起疼痛的离子通道。Yifan Cheng实验室一直从事低温电子显微镜方法及应用的研究。

两家实验室长期合作。2013年,首次利用单粒子低温电子显微镜方法分析TRPV1的原子结构,引发了结构生物学的一场革命。

2016年,Kaihua Zhang博士加入该合作团队进行博士后研究。他成功地利用单粒子低温电子显微镜技术的优势分析了样品的异质性,并通过对中间态结构的研究进一步解释了TRPV1结构与功能之间的关系,从生物学角度解读了蛋白质分析机。

中间结构的重要性。这些发现将有助于更深入地了解TRP家族离子通道乃至其他信号蛋白的功能,并为TRPV1靶向药物的开发提供新的思路。

结构生物学而言,尤其是在上下文中使用人工智能结构的预测,使用单粒子的低温电子显微镜捕捉中间状态结构来解释蛋白质的功能可能是未来的一个新的研究方向。。

 

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.08.012


(来源:互联网,仅参考)



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