從冰天雪地的南極,到赤日炎炎的非洲,所有生命體都需要適應(yīng)所處環(huán)境的溫度,才能生存和繁衍。而環(huán)境溫度適應(yīng)的前提,是生命體對溫度的精確感知。
在多種動物中,瞬時受體電位(TRP)離子通道家族的多個成員發(fā)揮著溫度感受器的作用。近年來,中國科學院昆明動物研究所賴仞研究員帶領(lǐng)的團隊在理解動物的溫度感知機制方面取得了一系列進展。
最近,賴仞團隊開展了關(guān)于動物低溫適應(yīng)機制的研究,例如小鼠身體中的瞬時受體電位M8(TRPM8)通道可以被小于28℃的低溫激活,是重要的冷感受器。但是低溫激活該通道的分子機制,及其與脊椎動物環(huán)境溫度適應(yīng)的關(guān)系一直未被闡明。
為了揭示這些科學問題,賴仞團隊與浙江大學醫(yī)學院研究團隊合作,對分布在不同棲息環(huán)境下的脊椎動物的TRPM8進行了結(jié)構(gòu)和功能的多樣性研究。他們首先觀察到,TRPM8通道的冷敏感性在南極帝企鵝與非洲象之間存在重大差異,即帝企鵝的TRPM8冷敏感性顯著低于非洲象。
當研究人員把冷敏感性低的帝企鵝TRPM8通道敲入原本冷敏感性較高的小鼠后,小鼠不僅更偏好低溫環(huán)境,并且它們對低溫的耐受程度也有所提高。因此,對TRPM8通道冷敏感性的調(diào)控可以影響動物對環(huán)境溫度的適應(yīng)。
通過熒光非天然氨基酸成像與蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)計算建模的整合運用,研究人員進一步發(fā)現(xiàn)低溫能引起TRPM8通道孔區(qū)中數(shù)個關(guān)鍵氨基酸的側(cè)鏈發(fā)生從包埋狀態(tài)到水環(huán)境暴露狀態(tài)的動態(tài)構(gòu)象變化,而通過改變這些氨基酸的側(cè)鏈疏水性可以特異地調(diào)控通道冷敏感性的強弱:增大側(cè)鏈疏水性,可提高該通道的冷敏感性。
生活在寒冷環(huán)境中的動物如帝企鵝、藏羚羊和牦牛,其TRPM8孔區(qū)的氨基酸的整體疏水性偏小;而生活在炎熱環(huán)境中的動物如非洲象、跳鼠和雙峰駱駝,其TRPM8孔區(qū)的氨基酸的整體疏水性偏大。
通過這一系列實驗觀察,研究團隊提出了在微觀層面TRPM8感受低溫的生物物理機制:常溫時,位于TRPM8通道的孔區(qū)中存在的數(shù)個關(guān)鍵氨基酸,其側(cè)鏈隨機發(fā)生著在包埋、暴露兩種狀態(tài)之間的動態(tài)變化;當溫度降低時,圍繞在氨基酸側(cè)鏈外圍的水分子熱運動降低,能更穩(wěn)定地形成水化籠并穩(wěn)定關(guān)鍵氨基酸側(cè)鏈的暴露狀態(tài)構(gòu)象,進而使得該通道蛋白的動態(tài)構(gòu)象平衡偏向激活狀態(tài)。
基于對TRPM8冷敏感性的生物物理機制、轉(zhuǎn)基因小鼠行為和TRPM8孔區(qū)整體疏水性的一系列探索,研究人員提出了一種動物對環(huán)境溫度的適應(yīng)機制,即在物種的進化適應(yīng)過程中,它們通過調(diào)整TRPM8孔區(qū)的氨基酸的整體疏水性,來調(diào)控冷敏感性,從而在功能層面上獲得具有物種特異性的TRPM8受體,進而輔助這些物種更好地適應(yīng)它們所處的環(huán)境溫度。
相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《美國科學院院刊》上。
關(guān)鍵詞: 生命體對溫度的精確感知
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