春江冷暖“TRP”知
春江水暖谁先知？清明后的晴好天气让人们一扫疫情的阴霾，在暖阳中踏上了复工复学的步伐。不料一场春雨，乍暖还寒，我们脑中仿佛听到一个来自灵魂的发问：今天穿什么？人体对温度的精确感知，让我们能够根据天气变化添衣加裤，适应环境温度的变化。
生物体对温度的感知依赖瞬时受体势（Transient Receptor Potential, TRP）通道家族的多个成员。TRP通道在神经和非神经系统中均有广泛分布，负责各种感官反应，如温觉、味觉、视觉和触觉等。TRP通道在包括神经元在内的各种类型细胞的质膜上大量表达。到目前为止，在不同物种上已鉴定出约30个TRP基因及100多个不同的TRP通道[1]。TRP通道有7个亚族：TRPC、TRPV、TRPM、TRPA、TRPP、TRPML和TRPN。哺乳动物中发现了TRP通道的6个亚族（无TRPN）。此外，在酵母中也发现了TRP通道（TRPY），这表明TRP通道的出现早于后生动物的时代（约7亿年前）[2]，说明TRP通道已在原生生物对周围环境的感知中发挥功能。
相比于我们对电压门控型离子通道的研究，对TRP通道的研究却起步较晚。1969年，Cosens和Manning在一种黑腹果蝇突变体的光感受器细胞中，发现连续光刺激仅引起短暂的胞内钙离子浓度升高，而不是常见持续的、平台样变化，因此他们将该突变体命名为瞬时受体电位（TRP）[3]。这一研究结果表明TRP通道参与视觉感受。
直到1997年，加州大学旧金山分校的David Julius教授及其小组成功克隆得到了辣椒素受体VR1，随后又被命名为TRPV1通道。TRPV1能被辣椒素特异地激活，同时也能被42℃以上的高温激活，从而不仅首次提供了人吃辣椒为什么会同时感到辣和热的分子解释，同时还揭示了温度感受的机理[4]。这也拉开了TRP通道温度感受研究的序幕。随后，研究者们陆续发现了多种感知不同温度范围的TRP通道，这些对温度敏感的TRP通道被统称为thermoTRP。
迄今，在哺乳动物中已鉴定出11种thermoTRP，包括热受体TRPV1-TRPV4和TRPM2-TRPM5，以及冷受体TRPM8、TRPC5和TRPA1。这些ThermoTRP可以感受整个生理范围内的温度，从产生痛感的灼热，到令人舒适的温暖及凉爽，再到刺骨的寒冷。此外，thermoTRP还可以被化学配体所激活，包括刚才提到的辣椒素，还有大蒜素、大麻素、薄荷醇和肉桂醛等（图一）[5]。
图一 ThermoTRP及其化学配体[5]
那么这些thermoTRP是如何感知温度的呢？要了解离子通道的门控机制，需要从它们的结构开始。
2013年，David Julius教授与华人科学家程亦凡合作，在《自然》杂志连续发表了两篇文章，解析了TRPV1关闭态和开放态的结构。通过对TRPV1关闭态结构的分析，研究者发现该通道与电压门控离子通道具有相似的结构：TRPV1为四聚体，每个亚基具有六次跨膜α螺旋结构域，其中第5和第6个跨膜结构域共同构成通道孔区，第1-4个跨膜结构域构成电压感受位点[6]。而在树脂毒碱（辣椒素类似物）和蜘蛛毒素DkTx存在的情况下，可以得到TRPV1的开放态结构，通过对其开放态与关闭态结构的对比，发现TRPV1有独特的双门通道激活机制（图二）[7]，虽然其选择性滤器是否构成真正能控制离子流动的上闸门尚有争议[8]。
TRPV1及其他thermoTRP结构的解析解释了它们配体门控的机制，但由于无法在不同的温度下获取相应的蛋白结构，故温度如何激活thermoTRP通道的机制一直未能被阐明。
图二 TRPV1双门通道门控机制[7]
研究人员充分利用各种生物物理学技术和方法对温度如何门控thermoTRP通道的机理进行了长期探索。温度代表着区域微观粒子的平均动能，而热传导会影响粒子排布。对于肽链和蛋白质来说，温度改变不仅会影响氨基酸残基的极性强弱，也会大程度改变蛋白质的构象。正是由于这种多模态参与的方式，阻碍了解析thermoTRP温度门控机制的进程。
同时，不同种属温度敏感性的差异，比如，大鼠rTRPV1的激活温度阈值~42℃，而吸血蝙蝠(Vampire bat）TRPV1的激活温度约30℃，更是增加了鉴定温度传感结构域的挑战性。对于TRPV1来说，目前鉴定出参与温度门控的区域主要包括N端、C端、外孔区以及孔道区域（图三）。
图三 TRPV1温度敏感结构域[6]
位于N端的锚定重复域（Ankyrin repeat domain，ARD）决定了十三条纹地松鼠和双峰驼的耐热性，如果把地松鼠来源的sqTRPV1通道第190位天冬氨酸换成类似大鼠的丝氨酸，会介导sqTRPV1热敏感性增加，但不影响其辣椒素和酸诱导的化学激活[9]。
而实验证明，连接ARD和第一个跨膜片段的N端，也被称为细胞膜近端域（Membrane proximal domain，MPD），作为温度感受器而参与介导TRPV1温度敏感性，并决定了温度刺激下的TRPV1通道开关过程中的能量变化和温度感受特性。利用分子生物学手段将这段区域换进rTRPV2，hTRPV2或者mTRPV4等通道，不仅使温度不敏感的亚型转变为温度敏感的通道，也会使野生型通道的温度感受特性变得和TRPV1通道一样[10]。
此外，受内源性胞内激动剂磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol-4,5-bisphophate，PIP2）影响的通道C端的近膜区与远端，也都是感知温度刺激的重要模块[11,12]。将热激活的TRPV1与冷激活的TRPM8 C端互换，可以交换其交换温度敏感性，尤其是将TRPV1 Q727和W752两个氨基酸残基引入野生型TRPM8通道中，可以使其直接表现出热激活的特性，且不与PIP2激活耦联，这说明温度传感与传统配体门控依赖的机制不同[13]。
有研究证明，N端和C端两个胞内区也会通过相互作用介导TRPV1的热失活[14]。除了胞内区，通道孔道及孔道周边也参与了温度敏感性调控，其关键位点，包括位于pore turret的C617、C622以及位于pore外孔区的N628、N652、Y653，突变后均会显著影响TRPV1的温度敏感性[15,16]。
冬眠的动物在非冬眠季节能够维持稳定的体温，而在冬眠季节其体温是可变的，并且对低温有很强的耐受力。冬眠动物如何忍受极端状态下的长时间低温呢？
研究者以十三条纹地松鼠作为主要的研究对象，这类松鼠是典型的冬眠动物，在休眠状态，可以让体温长期维持在10℃以下。通过比对地松鼠与大鼠的冷敏感通道TRPM8，研究者发现地松鼠TRPM8在10-25℃的敏感性低于大鼠和小鼠。将地松鼠TRPM8通道跨膜结构域上的6个氨基酸序列替换为冷敏大鼠的相应序列可以恢复其冷敏感性[17]。
中国科学院昆明动物研究所赖仞团队与浙江大学杨帆团队合作，于2020年3月28日在《美国国家科学院院刊》发表题为“A paradigm of thermal adaptation in penguins and elephants by tuning cold activation in TRPM8”的研究论文，提出动物在适应进化过程中通过调整TRPM8通道孔区的氨基酸侧链疏水性来调控TRPM8的冷敏感性，从而在功能层面上获得具有物种特异性的TRPM8受体，辅助这些物种更好地适应他们所处的环境温度[18]。
生活在寒冷环境中的帝企鹅、藏羚羊和牦牛，其TRPM8通道孔区的氨基酸侧链疏水性偏小，冷敏感性较低；而生活在炎热环境中的非洲象、跳鼠和双峰驼则恰恰相反。不同物种间冷热敏感性的差异可以使其占据不同的生态位，获得适宜的生存和繁衍空间，这也是生物进化过程中不断适应环境变化的结果。
每个物种都有其最适宜的温度范围，超出范围的温度刺激往往与疼痛紧密相连。过热会导致灼痛感，而寒冷会引起疼痛、瘙痒或者灼烧感。温度和疼痛共享传递化学伤害、机械和热刺激的一般躯体感觉纤维（图四）。温度感受的失衡可使舒适温度从无害刺激转变为有害刺激，从而导致病理性疼痛状况。TRPV1-4、TRPA1、TRPM2、TRPM 3与TRPM 8均为公认的疼痛转换器。由于thermoTRP的门控机制还受一些炎性介质调节，这些通道也被认为与其他病理性疼痛状态有关，例如炎性痛觉过敏和糖尿病神经病变等[19]。
图四 ThermoTRP与疼痛[5]
对于癌症患者，化疗后有时会并发严重的周围神经痛，常规镇痛药不能完全缓解这类疼痛。在这类疼痛反应中常伴有钙通道功能改变、表达异常和高热敏性。TRP通道作为在背根神经节和三叉神经节高表达的对钙离子有着较高选择通透能力的通道，与化疗引起的周围神经痛密切相关。顺铂、奥沙利铂和紫杉醇可以促进thermoTRP （TRPA1、TRPM8、TRPV1、TRPV2和TRPV4）通道的功能，引起通道表达水平升高、通道敏化及氧化应激反应，还会诱发机械、热和冷痛敏反应。这些研究提示thermoTRP通道可以作为治疗化疗引起的神经痛的新靶标[20]。
越来越多的证据表明靶向thermoTRP通道的药物可缓解癌症患者在化疗时遭受的严重不良反应。例如，树脂毒碱可以作为“分子手术刀”，通过特异性激活其受体TRPV1通道引起表达TRPV1的痛觉感受神经元发生钙内流与钙超载，进而导致这些神经元的消除，作为慢性癌症疼痛的控制手段[21]。
武汉大学姚镜团队近期发现钙依赖的TRPV1通道动态转运在控制细胞的长时程痛觉不应中发挥关键作用，使得预先诱导TRPV1调节的痛觉感应进入脱敏状态成为一种重要的镇痛策略[22]。ThermoTRP的蛋白翻译后修饰对其痛觉敏化的调控也有重要作用，上海交通大学李勇团队与姚镜团队合作，解析了TRPV1 C端K822位点的SUMO化修饰是其炎性痛觉敏化的必要条件[23]。
目前已有多种针对TRPV1、TRPV3和TRPA1的小分子拮抗剂作为新型镇痛药进入临床试验，在海马和杏仁核中高度表达的TRPC5被认为是焦虑症的治疗靶点，而在其他系统的疾病，如哮喘、心脏肥大、肥胖、代谢紊乱以及癌症的治疗中也在努力扩展靶向thermoTRP的药物[24]。
参考文献&推荐阅读
本文作者：
李婕 （上海交大医学院硕士一年级）
齐昕 （上海交大医学院博士二年级）
卢剑飞（上海交大医学院博士后）
审核：
徐天乐 教授
转自微信公众号离子通道研究进展
原文链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/9505DG1a-9-zCR7DHBdWPQ