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有了這個“開關” 非洲象不怕熱帝企鵝能扛冷

2020-04-07 科技日報 趙漢斌
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  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所處環境的溫度,才能生存和繁衍。而環境溫度適應的前提,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,賴仞團隊開展了關于動物低溫適應機制的研究,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,及其與脊椎動物環境溫度適應的關系一直未被闡明。

  為了揭示這些科學問題,賴仞團隊與浙江大學醫學院研究團隊合作,對分布在不同棲息環境下的脊椎動物的TRPM8進行了結構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通道冷敏感性的調控可以影響動物對環境溫度的適應。

  通過熒光非天然氨基酸成像與蛋白質三維結構計算建模的整合運用,研究人員進一步發現低溫能引起TRPM8通道孔區中數個關鍵氨基酸的側鏈發生從包埋狀態到水環境暴露狀態的動態構象變化,而通過改變這些氨基酸的側鏈疏水性可以特異地調控通道冷敏感性的強弱:增大側鏈疏水性,可提高該通道的冷敏感性。

  生活在寒冷環境中的動物如帝企鵝、藏羚羊和牦牛,其TRPM8孔區的氨基酸的整體疏水性偏小;而生活在炎熱環境中的動物如非洲象、跳鼠和雙峰駱駝,其TRPM8孔區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通道的孔區中存在的數個關鍵氨基酸,其側鏈隨機發生著在包埋、暴露兩種狀態之間的動態變化;當溫度降低時,圍繞在氨基酸側鏈外圍的水分子熱運動降低,能更穩定地形成水化籠并穩定關鍵氨基酸側鏈的暴露狀態構象,進而使得該通道蛋白的動態構象平衡偏向激活狀態。

  基于對TRPM8冷敏感性的生物物理機制、轉基因小鼠行為和TRPM8孔區整體疏水性的一系列探索,研究人員提出了一種動物對環境溫度的適應機制,即在物種的進化適應過程中,它們通過調整TRPM8孔區的氨基酸的整體疏水性,來調控冷敏感性,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它們所處的環境溫度。

  相關研究成果在線發表在《美國科學院院刊》上。

打印 責任編輯:侯茜
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