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有了这个“开关” 非洲象不怕热帝企鹅能扛冷

时间:2020-04-08来源: 作者:admin点击:
从冰天雪地的南极,到赤日炎炎的非洲,所有生命体都需要适应所处环境的温度,才能生存和繁衍。而环境温度适应的前提,是生命体对温度的精确感知。在多种动物中,瞬时受体电位(TRP)离子通道家族的多个成员发挥着温度感受器的作用。近年来,中国科学院昆明动物研究所赖仞研究员带领的团队在理解动物的温度感知机制方面取

从冰天雪地的南极,到赤日炎炎的非洲,所有生命体都需要适应所处环境的温度,才能生存和繁衍。而环境温度适应的前提,是生命体对温度的精确感知。

在多种动物中,瞬时受体电位(TRP)离子通道家族的多个成员发挥着温度感受器的作用。近年来,中国科学院昆明动物研究所赖仞研究员带领的团队在理解动物的温度感知机制方面取得了一系列进展。

最近,赖仞团队开展了关于动物低温适应机制的研究,例如小鼠身体中的瞬时受体电位M8(TRPM8)通道可以被小于28℃的低温激活,是重要的冷感受器。但是低温激活该通道的分子机制,及其与脊椎动物环境温度适应的关系一直未被阐明。

为了揭示这些科学问题,赖仞团队与浙江大学医学院研究团队合作,对分布在不同栖息环境下的脊椎动物的TRPM8进行了结构和功能的多样性研究。他们首先观察到,TRPM8通道的冷敏感性在南极帝企鹅与非洲象之间存在重大差异,即帝企鹅的TRPM8冷敏感性显著低于非洲象。

当研究人员把冷敏感性低的帝企鹅TRPM8通道敲入原本冷敏感性较高的小鼠后,小鼠不仅更偏好低温环境,并且它们对低温的耐受程度也有所提高。因此,对TRPM8通道冷敏感性的调控可以影响动物对环境温度的适应。

通过荧光非天然氨基酸成像与蛋白质三维结构计算建模的整合运用,研究人员进一步发现低温能引起TRPM8通道孔区中数个关键氨基酸的侧链发生从包埋状态到水环境暴露状态的动态构象变化,而通过改变这些氨基酸的侧链疏水性可以特异地调控通道冷敏感性的强弱:增大侧链疏水性,可提高该通道的冷敏感性。

生活在寒冷环境中的动物如帝企鹅、藏羚羊和牦牛,其TRPM8孔区的氨基酸的整体疏水性偏小;而生活在炎热环境中的动物如非洲象、跳鼠和双峰骆驼,其TRPM8孔区的氨基酸的整体疏水性偏大。

通过这一系列实验观察,研究团队提出了在微观层面TRPM8感受低温的生物物理机制:常温时,位于TRPM8通道的孔区中存在的数个关键氨基酸,其侧链随机发生着在包埋、暴露两种状态之间的动态变化;当温度降低时,围绕在氨基酸侧链外围的水分子热运动降低,能更稳定地形成水化笼并稳定关键氨基酸侧链的暴露状态构象,进而使得该通道蛋白的动态构象平衡偏向激活状态。

基于对TRPM8冷敏感性的生物物理机制、转基因小鼠行为和TRPM8孔区整体疏水性的一系列探索,研究人员提出了一种动物对环境温度的适应机制,即在物种的进化适应过程中,它们通过调整TRPM8孔区的氨基酸的整体疏水性,来调控冷敏感性,从而在功能层面上获得具有物种特异性的TRPM8受体,进而辅助这些物种更好地适应它们所处的环境温度。

相关研究成果在线发表在《美国科学院院刊》上。

(责编:赵竹青、吕骞)

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