来自斯克里普斯研究所(TSRI)和杜克大学的一组研究人员首次确定了瞬时受体电位Melastatin 8(TRPM8)的原子结构,这是一种神经末端的分子传感器,可检测低温以及薄荷醇等。诱导冷感的化学物质。
这一发现应该促进科学家们在治疗上针对TRPM8的持续努力。与冷传感器相互作用的药物化合物 - 作为含有薄荷醇的药膏已经可以 - 可以治疗某些形式的慢性疼痛和炎症,偏头痛甚至癌症。
"了解TRPM8的原子结构及其对冷,薄荷醇和其他刺激的反应应该有助于设计针对这种传感器的强效和选择性新药,"研究负责人Gabriel C. Lander博士说,他是副教授。 TSRI与杜克大学医学院的Seok-Yong Lee博士共同领导了这项研究。
这项发现于2017年12月7日发表在"科学"杂志上,也是一项重大的技术壮举。自2002年冷感应蛋白首次被发现以来,世界各地的团队都尝试过,但未能确定原子结构使用X射线晶体学的TRPM8,传统上是解决大蛋白质结构的首选方法。
获得TRPM8的高分辨率结构对结构生物学家构成了重大挑战,部分原因是当从细胞膜中的天然环境中分离时,通道不稳定。没有膜支持,TRPM8倾向于失去其结构完整性,使得目标非常难以研究。TRPM8传感器结构也相对复杂,由TRPM8基因编码的蛋白质的四个相同拷贝组成。
对于这个项目,Lander和他的实验室研究生的共同第一作者Mengyu Wu选择使用低温电子显微镜(cryo-EM),这是一种结构测定方法,越来越倾向于难以进行结构研究。Lee和他的团队首先筛选来自十几种不同动物物种(包括人类,小鼠和鸟类)的TRPM8蛋白,以找到一种可能是低温EM研究"最佳表现"的蛋白质。他们从一只叫做领蝇的鸟类中选择了TRPM8蛋白。
"所有证据都表明捕蝇器TRPM8的工作方式与哺乳动物TRPM8相同,因此我们相信我们的结构分析将直接转化为这种传感器的人体形态,"兰德说。
由于TRPM8在其天然膜环境之外的固有不稳定性,科学家面临许多障碍。"即使在将样品从Duke运送到TSRI的一天内,蛋白质复合物也会开始分崩离析,"吴说。"Lee实验室策略性地在蛋白质中添加了一些稳定突变,使其不易降解。"Lee实验室的研究生Ying Yin也回过头来,仔细筛选了几种纯化条件,为样品提供了额外的稳定性。
该蛋白质的表现与Lander实验室通常用于电子显微镜的大多数样品的表现不同,研究人员花了一年多的时间来确定对这种具有挑战性的生物分子进行成像的正确条件。
"我们不得不抛弃规则手册,重新思考解决这种结构的常用方法,"兰德说。
通过这些调整,研究人员能够以大约4埃(4亿分之一米)的整体分辨率获得TRPM8的第一次结构性一瞥。由此产生的原子模型也包含一些惊喜。"其他团体已经假设TRPM8的结构以及它如何与结合伴侣如薄荷醇相互作用,但我们发现,几乎所有这些有根据的猜测都相当遥远,"兰德说。特别地,薄荷醇的结合袋被证明处于意外的位置,不同于其他TRP传感器中的配体结合位置。
"这个结构告诉我们的一件事是,TRP传感器并非都以相同的方式工作,因此我希望在我们研究更多这些TRP结构时,我们会发现许多新的传感器机制,"Lander说。
TRPM8对制药工业很感兴趣,部分原因在于它在激活时可具有镇痛,抗炎作用。此外,其基因的变异与偏头痛的易感性有关,科学家们已经证明,操纵TRPM8可以引起动物的偏头痛样疼痛。
"TRPM8在一些前列腺癌,乳腺癌和其他癌症中也异常表达,使其成为潜在的化疗靶点,"吴说。
虽然TRPM8最为人所知的是中度冷温度(低于约25°C)的外周神经传感器和冷感觉分子如薄荷醇,但它也存在于许多其他正常组织中,甚至在体内深处,这些组织中的功能仍然很不清楚。对TRPM8与其天然结合配偶体的结构相互作用的详细了解应该导致更好的分子探针的开发,这可以帮助科学家揭示其各种功能。
Lander和Lee Laboratories正在努力更好地了解TRPM8如何与薄荷醇和其他治疗性结合配偶体分子相互作用。
