浙大楊帆組揭示活細胞中TRPV1離子通道的動態構象變化

責編丨迦 漵

眾所周知，蛋白質結構決定其功能；然而蛋白質生理功能的正常行使，更離不開其三維結構的動態變化。隨著以冷凍電鏡為代表的結構生物學技術的發展與成熟，越來越多的蛋白質高解析度三維結構在體外環境中得到了解析；但是，對蛋白質結構如何在活細胞環境中通過發生動態變化，進而行使其生理功能的研究仍然相當不足。

以在疼痛感受與傷害性感受中發揮關鍵作用的TRPV1（ transient receptor potential vanilloid 1 ）通道為例，雖然其關閉態以及與其配體辣椒素結合狀態的兩種高解析度三維結構均經由冷凍電鏡得到了解析【1-3】，但是辣椒素的結合是如何引起活細胞上的TRPV1通道的構象變化，最終實現通道激活的動態過程仍然未知。

7月23日，Nature Communications在線發表了浙江大學楊帆課題組的研究論文The conformational wave in capsaicin activation of Transient Receptor Potential Vanilloid 1 ion channel。該論文通過綜合運用熒光非天然氨基酸成像、蛋白質結構計算建模和單通道電生理記錄等生物物理學技術， 觀察到了TRPV1離子通道在被配體辣椒素分子激活時的「構象波」（conformational wave），揭示了TRPV1蛋白質三維構象在活細胞中的動態變化過程。

在本研究中，研究人員首先在活細胞中將熒光非天然氨基酸ANAP標記在TRPV1通道的各個關鍵位置，通過觀察在辣椒素激活TRPV1過程中引起的ANAP熒光光譜的變化，發現TRPV1通道的孔區發生了顯著的動態構象變化。進一步將ANAP熒光變化的信息在計算結構生物學工具包中整合，從而得到了TRPV1通道的孔區處於開放狀態的三維結構模型，該狀態的三維結構模型與來自冷凍電鏡的兩種結構模型相互結合，為理解辣椒素激活TRPV1通道的完整結構機制提供了強有力的支撐。

上述三種TRPV1通道的三維結構提示，該通道有上下兩個「閘門」來控制離子的流動，其上閘門位於孔區的選擇性濾器附近，下閘門位於S6交叉附近。那麼，當辣椒素分子與TRPV1通道結合後，是如何動態地打開這兩個閘門的呢？研究創建了大量的TRPV1通道突變體，並在活細胞中對所有突變體進行單通道記錄。通過對來自單通道電生理的開放速率以及平衡常數進行Φ分析，研究人員發現辣椒素的結合在時域上首先引起其位於跨膜區內部的結合口袋周圍的構象變化，繼而引起下閘門附近的構象變化，最後導致上閘門附近的構象變化。這樣的構象波能夠清晰地反映出辣椒素激活TRPV1通道的動態變化過程（下圖）。

TRPV1通道是重要的鎮痛藥物靶點，故理解其經典配體辣椒素的作用機制將為以該通道為靶點的藥物研發打下堅實基礎。該研究將熒光非天然氨基酸成像、蛋白質結構計算建模和單通道電生理Φ分析等生物物理技術綜合運用的研究策略，普遍適用於各種離子通道蛋白的研究，將為蛋白質結構研究實現由「靜」到「動」、由構象到構象波的跨越提供新的思路。

浙江大學醫學院生物物理系的楊帆研究員，西湖大學西湖高等研究院基礎醫學研究所的肖弦副研究員和美國加州大學戴維斯分校的Bo Hyun Lee博士為該研究的第一作者，楊帆研究員和美國加州大學戴維斯分校的鄭劼教授為該研究的通訊作者。

參考文獻

1. Cao, E., Liao, M., Cheng, Y. & Julius, D. TRPV1 structures in distinct conformations reveal activation mechanisms.Nature504, 113–118 (2013).

2.Liao, M., Cao, E., Julius, D. & Cheng, Y. Structure of the TRPV1 ion channel determined by electron cryo-microscopy.Nature504, 107–112 (2013).

3. Gao, Y., Cao, E., Julius, D. & Cheng, Y. TRPV1 structures in nanodiscs reveal mechanisms of ligand and lipid action.Nature534, 347–351 (2016).

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