PNAS：TRPV1分子结构波动的变化

　　

   

   

图:TRPV1通道HS-AFM成像示意图(左)和TRPV1通道HS-AFM快照(右)。

金泽大学的研究人员在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上报告了高速原子力显微镜实验，该实验显示了与刺激和抑制TRPV1蛋白激活相关的配体如何增加和减少分子的结构变化。这些观察结果为了解这些热和辣椒感应蛋白的功能提供了见解。

皮肤通过激活一种叫做瞬时受体潜在香草素成员1 (TRPV1)的蛋白质受体来感知热量——既来自温度升高，也来自辣椒中的辣椒素分子。然而，TRPV1功能背后的机制尚不清楚。现在，日本金泽大学的Ayumi Sumino和中国复旦大学的Motoyuki Hattori及其同事对这一机制提供了重要的见解。他们使用高速原子力显微镜来比较蛋白质是否刺激或抑制与之结合的分子(配体)，他们获得了他们所描述的“第一个显示分子波动与门控状态(配体结合)之间相关性的实验证据”。

一旦被激活，TRPV1通道打开，允许离子渗透并向神经系统发出有害刺激物存在的信号。2011年，美国霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究人员从热力学角度提出了受体激活的理论基础，这一理论框架后来得到了实验的证实。这个想法是，分子对热的反应是热容的变化，热容的变化与分子构象的波动有关。TRPV1蛋白的结构已经从之前的低温电子显微镜研究中得知，但这些研究并没有阐明蛋白质构象的波动如何随着刺激或抑制分子而变化，甚至没有阐明温度和辣椒感知是否共享相同的分子机制。

原子力显微镜(AFM)通过距离对位于表面正上方的纳米尖端的力的影响来感知表面的拓扑结构。这种显微镜最早发明于1986年，但在金泽大学的工作中获得了新的生命，使其能够高速捕获拓扑结构，从而为结构动力学提供了一个窗口。

Sumino, Hattori和同事使用高速AFM成像TRPV1受体在其未结合状态和与配体分子结合时，刺激(激动剂)或抑制(拮抗剂)蛋白质的活性。他们使用比辣椒素热1000倍的树脂化毒素分子作为激动剂，他们使用辣椒素作为拮抗剂，它可以阻断辣椒素的疼痛。

从捕获的结构中，研究人员能够观察到TRPV1结合状态和非结合状态构象的波动。他们发现树脂干扰素增加了构象波动，而辣椒素抑制了它们。

尽管构象波动非常小——大约在一埃左右——但研究人员强调，在这种尺度上的构象变化足以影响离子通道的渗透性。在他们的工作报告中，研究人员总结道:“总的来说，这项研究表明了结构波动的重要性，这将是TRPV1热感测的关键因素。” 

背景

TRPV1

2021年，大卫·朱利叶斯因其在20世纪90年代的工作而获得诺贝尔生理学奖，他发现了TRPV1蛋白受体在感知温度和辣椒中的辣椒素分子中的热量方面所起的作用。这些蛋白质对疼痛的研究很重要，因为辣椒素为热痛提供了一种控制良好的刺激。

高速原子力显微镜

原子力显微镜(AFM)通过表面力的增加和减少来“感知”表面的地形，因为表面高度的变化会改变尖端与表面之间的距离。尖端安装在悬臂上，这样力的微小变化可以通过在悬臂上产生的偏转来读出。

原子力显微镜可以对结构进行亚纳米级的分辨。它在生物学研究中具有特别的优势，因为它不需要导电衬底或电流，而其他具有类似分辨率的初级显微镜(如扫描隧道显微镜)则需要导电衬底或电流。

长期以来，AFM受到捕获表面图像所需时间的限制，但当金泽大学的Toshio Ando揭示了如何使用对扫描，挠度检测和其他电子设备以及悬臂规格的各种修改将该工具升级为高速AFM时，这种情况发生了变化。高速原子力显微镜使得首次在纳米尺度上捕捉动力学成为可能。

文章标题

Antithetic effects of agonists and antagonists on the structural fluctuations of TRPV1 channel