撰文|亦

TRPM8是一種瞬時受體電位（Transient Receptor Potential,TRP）離子通道蛋白，全稱為 Transient Receptor Potential Melastatin 8（M型瞬時受體電位通道8）。它是哺乳動物感知冷覺的關(guān)鍵分子，能夠被低于約26°C的溫度以及薄荷醇等化學(xué)冷感劑激活，因此也被稱為“冷感受器”或“薄荷醇受體”【1-3】。盡管已有大量研究試圖揭示其溫度門控機(jī)制，但此前主要依賴去垢劑提取的蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，難以捕捉溫度誘導(dǎo)的瞬時應(yīng)答 構(gòu)型 亞態(tài)，也缺乏評估門控過程中局部能量變化的手段【4-5】。

近日，美國加州大學(xué)舊金山分校生理學(xué)系David Julius實驗室 與生物化學(xué)與生物物理系程亦凡實驗室 合作，共同在Nature上發(fā)表了題為Structural energetics of cold sensitivity的文章。研究 在已有TRP通道結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，通過結(jié)合cryo-EM與HDX-MS，首次在近天然膜環(huán)境中解析了TRPM8的冷誘導(dǎo)開放狀態(tài)，并同時提供了通道各區(qū)域在溫度變化下的熱力學(xué)信息，解決了以往無法同時獲取結(jié)構(gòu)動態(tài)與局部能量變化的難題，揭示了冷敏感離子通道TRPM8在細(xì)胞膜環(huán)境中的冷激活機(jī)制。

為突破去垢劑純化蛋白難以捕捉溫度誘導(dǎo)瞬時 構(gòu)型 的局限，研究者將TRPM8置于細(xì)胞來源囊泡中，利用冷凍電鏡解析其近天然膜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)。在未添加配體條件下，鳥源 和人 源TRPM8 跨膜結(jié)構(gòu)域 呈 現(xiàn) 兩種共存 構(gòu)型 ： 完全交換構(gòu)型 （Fully-swapped architecture） ，即經(jīng)典的S6螺旋與相鄰亞基孔域互插；以及一種此前未知的 半交換 構(gòu)型（Semi-swapped architecture） ，其中S6螺旋與自身亞基的電壓感受樣結(jié)構(gòu)域關(guān)聯(lián)，S6在TRP結(jié)構(gòu)域連接處發(fā)生約52°彎曲。在全交換 構(gòu)型 中，S6下半段呈π螺旋，孔道下部的疏水限制由Val???構(gòu)成；而在半交換關(guān)閉態(tài)中，S6轉(zhuǎn)為α螺旋，孔道限制殘基變?yōu)長eu???與Phe???。這一新 構(gòu)型 的發(fā)現(xiàn)揭示了 TRPM8在膜環(huán)境中存在動態(tài) 構(gòu)型 亞態(tài) ，為后續(xù)研究溫度與配體如何調(diào)控 構(gòu)型 平衡奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

在明確兩種 構(gòu)型 共存后，研究者進(jìn)一步探究其在激動劑作用下是否發(fā)生動態(tài)平衡變化。通過冷凍電鏡顆粒分類統(tǒng)計，鳥源TRPM8在薄荷醇處理后，全交換 構(gòu)型 比例從18%降至6%，半交換 構(gòu)型 比例從24%升至37%，表明薄荷醇使平衡向半交換態(tài)偏移。為驗證這一平衡在去垢劑純化體系中也存在，研究者對純化后的人源與鳥源TRPM8進(jìn)行氫氘交換質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)覆蓋孔道螺旋與TRP螺旋的肽段呈現(xiàn)清晰雙峰質(zhì)量分布，提示兩個區(qū)域存在緩慢互變的兩種 構(gòu)型 群體。薄荷醇處理后，慢交換群體（推測對應(yīng)半交換 構(gòu)型 ）比例增加，與電鏡觀測趨勢一致。這一結(jié)果將配體誘導(dǎo)的 構(gòu)型 平衡偏移 從囊泡結(jié)構(gòu)延伸至純化蛋白動態(tài)層面 ，為后續(xù)定位薄荷醇穩(wěn)定區(qū)域提供能量依據(jù) 。

為解析薄荷醇調(diào)控 構(gòu)型 平衡的分子機(jī)制，研究者解析了薄荷醇結(jié)合態(tài)TRPM8結(jié)構(gòu)，并利用氫氘交換質(zhì)譜量化其局部穩(wěn)定化效應(yīng)。結(jié)構(gòu)顯示，薄荷醇結(jié)合于電壓感受樣結(jié)構(gòu)域下部空腔，其羥基與鳥源Arg?32（人源Arg??2）形成氫鍵，周圍為疏水側(cè)鏈。與未配體結(jié)構(gòu)相比，TRP螺旋向電壓感受樣結(jié)構(gòu)域靠近。氫氘交換質(zhì)譜表明，覆蓋TRP螺旋的肽段在薄荷醇存在下交換速率減慢約10倍，對應(yīng)約1.4 kcal/mol的穩(wěn)定化能，而跨膜區(qū)其他部分無明顯變化。該穩(wěn)定化區(qū)域包含與薄荷醇直接作用的Tyr???（鳥源編號；人源Tyr1???），明確了 薄荷醇通過穩(wěn)定TRP螺旋來偏置 構(gòu)型 平衡的熱力學(xué)基礎(chǔ) 。

為探究物種間冷敏感性差異的結(jié)構(gòu)與能量基礎(chǔ)，研究者對冷敏感的人源與相對冷不敏感的鳥源TRPM8進(jìn)行比較。盡管二者序列相似性高達(dá)92%且整體結(jié)構(gòu)高度一致，氫氘交換質(zhì)譜結(jié)合范特霍夫分析顯示，人源TRPM8的孔道螺旋在跨越其激活閾值（30–22°C）的溫度區(qū)間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)折疊焓（ΔH°）變化顯著，而鳥源此區(qū)域變化微弱。序列比對與功能實驗進(jìn)一步將差異定位至孔道外環(huán)的一個殘基：鳥源為Tyr???，人源為Val?1?。在鳥源結(jié)構(gòu)中，Tyr???嵌入由帶電殘基（Arg???、Glu???、Asp???、Asp???）構(gòu)成的口袋中，升高胞外pH（7.4→9.0）可破壞此相互作用，顯著增強(qiáng)鳥源通道冷敏感性；而人源通道在相同pH范圍內(nèi)冷敏感性變化微弱。將人源Val?1?突變?yōu)槔野彼岷?，其冷敏感性減弱，更接近鳥源表型。這些結(jié)果 將孔道外環(huán)鑒定為冷敏感性的核心結(jié)構(gòu)區(qū)，并揭示了其通過局部C?變化調(diào)控溫度響應(yīng)的熱力學(xué)機(jī)制 。

基于孔道外環(huán)在冷敏感性中的核心地位，研究者利用有利于開放的條件（低溫、高pH、或種間嵌合體）在去垢劑純化蛋白中捕獲了鳥源TRPM8的冷誘導(dǎo)開放 構(gòu)型 。該結(jié)構(gòu)處于半交換 構(gòu)型 ，與關(guān)閉態(tài)相比，S6螺旋向上平移一個螺旋圈并保持α螺旋，孔道下部限制殘基由Leu???與Phe???變?yōu)閮H由Phe???構(gòu)成，其側(cè)鏈旋轉(zhuǎn)至與膜平面垂直，孔道半徑從不足0.5 ?擴(kuò)大至約2 ?。在Phe???形成的環(huán)中央存在一個陽離子密度，在EGTA存在時消失，提示其為通透的鈣離子。在S5-S6裂縫中，一條長酰基鏈密度嵌入疏水空腔，其頭部與已知PI(4,5)P?結(jié)合位點吻合，穩(wěn)定了S6的上移 構(gòu)型 。這一結(jié)構(gòu) 將冷刺激與孔道外環(huán)穩(wěn)定化、S6 構(gòu)型 重排及PIP?脂質(zhì)插入直接關(guān)聯(lián) 。最終，整合結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)與功能數(shù)據(jù)，研究者提出了 TRPM8在“全交換”與“半交換”兩條并行路徑上響應(yīng)冷刺激而開放的自由能景觀模型 。

TRPM8通道冷激活的示意圖（上方：全交換 構(gòu)型 ；下方：半交換 構(gòu)型 ）

綜上所述，本研究通過細(xì)胞來源囊泡冷凍電鏡與氫氘交換質(zhì)譜的聯(lián)合應(yīng)用， 首次在近天然膜環(huán)境中揭示了TRPM8的“半交換” 構(gòu)型 狀態(tài)，并在去垢劑純化條件下捕獲了其冷誘導(dǎo)的開放 構(gòu)型 ，實現(xiàn)了 構(gòu)型 動態(tài)與局部熱力學(xué)信息的互補(bǔ)解析，為理解TRP通道的溫度感知機(jī)制提供了從構(gòu)型到能量的整合框架，并為靶向TRPM8的鎮(zhèn)痛藥物開發(fā)提供了精確的結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)基礎(chǔ)。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10276-2

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Bautista, D. M. et al. The menthol receptor TRPM8 is the principal detector of environmental cold.Nature448, 204–208 (2007).

2. Colburn, R. W. et al. Attenuated cold sensitivity in TRPM8 null mice.Neuron54, 379–386 (2007).

3. Dhaka, A. et al. TRPM8 is required for cold sensation in mice.Neuron54, 371–378 (2007).

4. Nadezhdin, K. D. et al. Structural mechanism of heat-induced opening of a temperaturesensitive TRP channel.Nat. Struct. Mol. Biol.28, 564–572 (2021).

5. Kwon, D. H. et al. Heat-dependent opening of TRPV1 in the presence of capsaicin.Nat. Struct. Mol. Biol.28, 554–563 (2021).

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