來自斯克里普斯研究所(TSRI)和杜克大學(xué)的一組研究人員首次確定了瞬時受體電位Melastatin 8(TRPM8)的原子結(jié)構(gòu)，這是一種神經(jīng)末端的分子傳感器，可檢測低溫以及薄荷醇等。誘導(dǎo)冷感的化學(xué)物質(zhì)。

這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)該促進科學(xué)家們在治療上針對TRPM8的持續(xù)努力。與冷傳感器相互作用的藥物化合物 - 作為含有薄荷醇的藥膏已經(jīng)可以 - 可以治療某些形式的慢性疼痛和炎癥，偏頭痛甚至癌癥。

“了解TRPM8的原子結(jié)構(gòu)及其對冷，薄荷醇和其他刺激的反應(yīng)應(yīng)該有助于設(shè)計針對這種傳感器的強效和選擇性新藥，”研究負責(zé)人Gabriel C. Lander博士說，他是副教授。 TSRI與杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Seok-Yong Lee博士共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。

這項發(fā)現(xiàn)于2017年12月7日發(fā)表在“科學(xué)”雜志上，也是一項重大的技術(shù)壯舉。自2002年冷感應(yīng)蛋白首次被發(fā)現(xiàn)以來，世界各地的團隊都嘗試過，但未能確定原子結(jié)構(gòu)使用X射線晶體學(xué)的TRPM8，傳統(tǒng)上是解決大蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的首選方法。獲得TRPM8的高分辨率結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)生物學(xué)家構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，部分原因是當(dāng)從細胞膜中的天然環(huán)境中分離時，通道不穩(wěn)定。沒有膜支持，TRPM8傾向于失去其結(jié)構(gòu)完整性，使得目標(biāo)非常難以研究。TRPM8傳感器結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，由TRPM8基因編碼的蛋白質(zhì)的四個相同拷貝組成。

對于這個項目，Lander和他的實驗室研究生的共同第一作者Mengyu Wu選擇使用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)，這是一種結(jié)構(gòu)測定方法，越來越傾向于難以進行結(jié)構(gòu)研究。Lee和他的團隊首先篩選來自十幾種不同動物物種(包括人類，小鼠和鳥類)的TRPM8蛋白，以找到一種可能是低溫EM研究“最佳表現(xiàn)”的蛋白質(zhì)。他們從一只叫做領(lǐng)蠅的鳥類中選擇了TRPM8蛋白。

“所有證據(jù)都表明捕蠅器TRPM8的工作方式與哺乳動物TRPM8相同，因此我們相信我們的結(jié)構(gòu)分析將直接轉(zhuǎn)化為這種傳感器的人體形態(tài)，”蘭德說。

由于TRPM8在其天然膜環(huán)境之外的固有不穩(wěn)定性，科學(xué)家面臨許多障礙。“即使在將樣品從Duke運送到TSRI的一天內(nèi)，蛋白質(zhì)復(fù)合物也會開始分崩離析，”吳說。“Lee實驗室策略性地在蛋白質(zhì)中添加了一些穩(wěn)定突變，使其不易降解。”Lee實驗室的研究生Ying Yin也回過頭來，仔細篩選了幾種純化條件，為樣品提供了額外的穩(wěn)定性。

該蛋白質(zhì)的表現(xiàn)與Lander實驗室通常用于電子顯微鏡的大多數(shù)樣品的表現(xiàn)不同，研究人員花了一年多的時間來確定對這種具有挑戰(zhàn)性的生物分子進行成像的正確條件。

“我們不得不拋棄規(guī)則手冊，重新思考解決這種結(jié)構(gòu)的常用方法，”蘭德說。

通過這些調(diào)整，研究人員能夠以大約4埃(4億分之一米)的整體分辨率獲得TRPM8的第一次結(jié)構(gòu)性一瞥。由此產(chǎn)生的原子模型也包含一些驚喜。“其他團體已經(jīng)假設(shè)TRPM8的結(jié)構(gòu)以及它如何與結(jié)合伴侶如薄荷醇相互作用，但我們發(fā)現(xiàn)，幾乎所有這些有根據(jù)的猜測都相當(dāng)遙遠，”蘭德說。特別地，薄荷醇的結(jié)合袋被證明處于意外的位置，不同于其他TRP傳感器中的配體結(jié)合位置。

“這個結(jié)構(gòu)告訴我們的一件事是，TRP傳感器并非都以相同的方式工作，因此我希望在我們研究更多這些TRP結(jié)構(gòu)時，我們會發(fā)現(xiàn)許多新的傳感器機制，”Lander說。

TRPM8對制藥工業(yè)很感興趣，部分原因在于它在激活時可具有鎮(zhèn)痛，抗炎作用。此外，其基因的變異與偏頭痛的易感性有關(guān)，科學(xué)家們已經(jīng)證明，操縱TRPM8可以引起動物的偏頭痛樣疼痛。

“TRPM8在一些前列腺癌，乳腺癌和其他癌癥中也異常表達，使其成為潛在的化療靶點，”吳說。

雖然TRPM8最為人所知的是中度冷溫度(低于約25°C)的外周神經(jīng)傳感器和冷感覺分子如薄荷醇，但它也存在于許多其他正常組織中，甚至在體內(nèi)深處，這些組織中的功能仍然很不清楚。對TRPM8與其天然結(jié)合配偶體的結(jié)構(gòu)相互作用的詳細了解應(yīng)該導(dǎo)致更好的分子探針的開發(fā)，這可以幫助科學(xué)家揭示其各種功能。

Lander和Lee Laboratories正在努力更好地了解TRPM8如何與薄荷醇和其他治療性結(jié)合配偶體分子相互作用。