Nature?|?我們如何感知寒冷？程亦凡/David Julius合作揭示冷感受器TRPM8的冷激活機制

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鍵分子，能夠被低于約26°C的溫度以及薄荷醇等化學冷感劑激活，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制，但此前主要依賴去垢劑提取的蛋白進行結構分析，難以捕捉溫度誘導的瞬時應答 構型 亞態，也缺乏評估門控過程中局部能量變化的手段【4-5】。

近日，美國加州大學舊金山分校生理學系David Julius實驗室 與生物化學與生物物理系程亦凡實驗室 合作，共同在Nature上發表了題為Structural energetics of cold sensitivity的文章。研究 在已有TRP通道結構研究基礎上，通過結合cryo-EM與HDX-MS，首次在近天然膜環境中解析了TRPM8的冷誘導開放狀態，并同時提供了通道各區域在溫度變化下的熱力學信息，解決了以往無法同時獲取結構動態與局部能量變化的難題，揭示了冷敏感離子通道TRPM8在細胞膜環境中的冷激活機制。

為突破去垢劑純化蛋白難以捕捉溫度誘導瞬時 構型 的局限，研究者將TRPM8置于細胞來源囊泡中，利用冷凍電鏡解析其近天然膜環境下的結構。在未添加配體條件下，鳥源 和人 源TRPM8 跨膜結構域 呈 現 兩種共存 構型 ： 完全交換構型 （Fully-swapped architecture） ，即經典的S6螺旋與相鄰亞基孔域互插；以及一種此前未知的 半交換 構型（Semi-swapped architecture） ，其中S6螺旋與自身亞基的電壓感受樣結構域關聯，S6在TRP結構域連接處發生約52°彎曲。在全交換 構型 中，S6下半段呈π螺旋，孔道下部的疏水限制由Val???構成；而在半交換關閉態中，S6轉為α螺旋，孔道限制殘基變為Leu???與Phe???。這一新 構型 的發現揭示了 TRPM8在膜環境中存在動態 構型 亞態 ，為后續研究溫度與配體如何調控 構型 平衡奠定結構基礎。

在明確兩種 構型 共存后，研究者進一步探究其在激動劑作用下是否發生動態平衡變化。通過冷凍電鏡顆粒分類統計，鳥源TRPM8在薄荷醇處理后，全交換 構型 比例從18%降至6%，半交換 構型 比例從24%升至37%，表明薄荷醇使平衡向半交換態偏移。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進行氫氘交換質譜分析，發現覆蓋孔道螺旋與TRP螺旋的肽段呈現清晰雙峰質量分布，提示兩個區域存在緩慢互變的兩種 構型 群體。薄荷醇處理后，慢交換群體（推測對應半交換 構型 ）比例增加，與電鏡觀測趨勢一致。這一結果將配體誘導的 構型 平衡偏移 從囊泡結構延伸至純化蛋白動態層面 ，為后續定位薄荷醇穩定區域提供能量依據 。

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

為探究物種間冷敏感性差異的結構與能量基礎，研究者對冷敏感的人源與相對冷不敏感的鳥源TRPM8進行比較。盡管二者序列相似性高達92%且整體結構高度一致，氫氘交換質譜結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）的溫度區間內，標準折疊焓（ΔH°）變化顯著，而鳥源此區域變化微弱。序列比對與功能實驗進一步將差異定位至孔道外環的一個殘基：鳥源為Tyr???，人源為Val?1?。在鳥源結構中，Tyr???嵌入由帶電殘基（Arg???、Glu???、Asp???、Asp???）構成的口袋中，升高胞外pH（7.4→9.0）可破壞此相互作用，顯著增強鳥源通道冷敏感性；而人源通道在相同pH范圍內冷敏感性變化微弱。將人源Val?1?突變為酪氨酸后，其冷敏感性減弱，更接近鳥源表型。這些結果 將孔道外環鑒定為冷敏感性的核心結構區，并揭示了其通過局部C?變化調控溫度響應的熱力學機制 。

基于孔道外環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的冷誘導開放 構型 。該結構處于半交換 構型 ，與關閉態相比，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???變為僅由Phe???構成，其側鏈旋轉至與膜平面垂直，孔道半徑從不足0.5 ?擴大至約2 ?。在Phe???形成的環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?結合位點吻合，穩定了S6的上移 構型 。這一結構 將冷刺激與孔道外環穩定化、S6 構型 重排及PIP?脂質插入直接關聯 。最終，整合結構、熱力學與功能數據，研究者提出了 TRPM8在“全交換”與“半交換”兩條并行路徑上響應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 構型 ；下方：半交換 構型 ）

綜上所述，本研究通過細胞來源囊泡冷凍電鏡與氫氘交換質譜的聯合應用， 首次在近天然膜環境中揭示了TRPM8的“半交換” 構型 狀態，并在去垢劑純化條件下捕獲了其冷誘導的開放 構型 ，實現了 構型 動態與局部熱力學信息的互補解析，為理解TRP通道的溫度感知機制提供了從構型到能量的整合框架，并為靶向TRPM8的鎮痛藥物開發提供了精確的結構與熱力學基礎。

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

制版人： 十一

參考文獻

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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