鴨嘴獸為啥不耐熱？中科院研究員探討哺乳動物溫感進(jìn)化之旅

辣椒素受體（transient receptor potential vanilloid 1，TRPV1）離子通道是哺乳動物面對高溫警報的分子傳感器，有著受熱激活和高溫介導(dǎo)失活的特點，因其在熱活化（heat-induced activation，Ah）后緊跟著發(fā)生快速熱脫敏（desensitization，Dh），導(dǎo)致其在持續(xù)熱反應(yīng)中的作用知之甚少。

中國科學(xué)院昆明動物研究所賴仞研究員和楊仕隆研究員，浙江大學(xué)楊帆教授以及加州大學(xué)戴維斯分校鄭劼教授等人借助嵌合體構(gòu)建、非天然氨基酸標(biāo)記、熒光共振能量轉(zhuǎn)移和變構(gòu)構(gòu)象模擬等技術(shù)，對小鼠TRPV1通道（mV1）和鴨嘴獸TRPV1通道（pV1）進(jìn)行了比較研究，闡明了Dh的生理作用和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。研究結(jié)果發(fā)表在5月14日的Nature Communications雜志，題目為“Molecular Basis for Heat Desensitization of TRPV1 Ion Channels”。

研究發(fā)現(xiàn)，小鼠mV1的N端和C端在Dh時存在相互作用，而鴨嘴獸pV1不具有這一特征，因此也不具有這一變構(gòu)過程。當(dāng)他們將小鼠mV1的N端和C端嫁接給pV1，進(jìn)而構(gòu)建攜帶大部分pV1結(jié)構(gòu)的嵌合通道，命名為pV1_mNC，令人驚訝的是，對比野生型，pV1_mNC在40℃高溫情況下同樣表現(xiàn)出了Dh作用，換句話說，pV1_mNC的跨膜結(jié)構(gòu)域能夠支持Ah和Dh，鴨嘴獸pV1缺乏Dh的原因很可能來自N端或/和C端變化。

鴨嘴獸是地球上唯一的卵生哺乳動物，距今2500萬年前就已出現(xiàn)，至今仍生活在澳大利亞，分布范圍小。肥胖的身體、扁扁的嘴巴還有一雙呆萌的小眼睛，它們大多數(shù)時間都待在水里，能在較冷的水域中保持溫暖，冬季不活動或冬眠。雖為哺乳動物但它們?nèi)狈ν晟频捏w溫調(diào)節(jié)能力，在環(huán)境溫度降低到0℃時，其體溫在20-30℃之間波動；當(dāng)環(huán)境溫度上升至30-35℃時，則失去熱調(diào)節(jié)機制而死亡。

文章共同一作羅雷博士、王云飛博士及李博文博士為進(jìn)一步探究TRPV1的結(jié)構(gòu)變化模式是否影響哺乳動物耐熱，通過添加不同長度的游離C端肽，在表征了mV1的Dh，并重新建立了遠(yuǎn)端N和C端模型后，彌補了已發(fā)表的單粒子冷凍電鏡（cryo-EM）缺失的部分遠(yuǎn)端N和C。

比對pV1和其他哺乳動物TRPV1通道序列，在C端找出了幾個高度鴨嘴獸特意的氨基酸位點，隨即構(gòu)建鴨嘴獸trpv1基因敲入小鼠（由賽業(yè)生物提供）——p-trpv1小鼠。除了N端和C端，TRPV1的轉(zhuǎn)錄水平以及其他已知的熱感受相關(guān)通道都不發(fā)生改變。令人驚訝的是， 在甩尾和熱板試驗中，野生型小鼠比p-trpv1小鼠更加耐受長時程熱刺激（45℃），而p-trpv1小鼠需要通過持續(xù)行走來規(guī)避熱板刺激。不僅如此，長時程的熱板刺激使p-trpv1小鼠足底形成灼傷跡象，但對野生型小鼠并無顯著影響。

研究揭示了TRPV1通道門控的變構(gòu)性質(zhì)在很大程度上決定了這些通道的生理功能。先前的KO小鼠研究證明TRPV1有助于哺乳動物熱傳感生理，但由于Dh和Ah過程的緊密耦合導(dǎo)致觀察結(jié)果遠(yuǎn)不夠清晰。但本實驗所構(gòu)建的轉(zhuǎn)基因p-trpv1小鼠清楚地闡明了這一點，揭示了Dh對生活在高溫環(huán)境中的哺乳動物具有重要的保護(hù)作用。鴨嘴獸作為最原始的哺乳動物之一，其TRPV1尚未進(jìn)化出高溫介導(dǎo)的“激活-失活”平衡機制。因此鴨嘴獸對高于臨界溫度的環(huán)境極其敏感，難以適應(yīng)其他陸地生存環(huán)境，新TRPV1模型證明了熱失活分子機制對哺乳動物進(jìn)化的重要生物學(xué)意義。

原文檢索：Molecular basis for heat desensitization of TRPV1 ion channels，Nature Communications