來源：離子通道進展
春江水暖誰先知？
清明後的晴好天氣讓人們一掃疫情的陰霾，在暖陽中踏上了復工復學的步伐。不料一場春雨，乍暖還寒，我們腦中仿佛聽到一個來自靈魂的發問：
今天穿什麼？
人體對溫度的精確感知，讓我們能夠根據天氣變化添衣加褲，適應環境溫度的變化。
生物體對溫度的感知依賴瞬時受體電位（Transient Receptor Potential, TRP）通道家族的多個成員。TRP通道在神經和非神經系統中均有廣泛分布，負責各種感官反應，如溫覺、味覺、視覺和觸覺等。TRP通道在包括神經元在內的各種類型細胞的質膜上大量表達。到目前為止，在不同物種上已鑑定出約30個TRP基因及100多個不同的TRP通道[1]。TRP通道有7個亞族：TRPC、TRPV、TRPM、TRPA、TRPP、TRPML和TRPN。哺乳動物中發現了TRP通道的6個亞族（無TRPN）。此外，在酵母中也發現了TRP通道（TRPY），這表明TRP通道的出現早於後生動物的時代（約7億年前）[2]，說明TRP通道已在原生生物對周圍環境的感知中發揮功能。
相比於我們對電壓門控型離子通道的研究，對TRP通道的研究卻起步較晚。1969年，Cosens和Manning在一種黑腹果蠅突變體的光感受器細胞中，發現連續光刺激僅引起短暫的胞內鈣離子濃度升高，而不是常見持續的、平臺樣變化，因此他們將該突變體命名為瞬時受體電位（TRP）[3]。這一研究結果表明TRP通道參與視覺感受。
直到1997年，加州大學舊金山分校的David Julius教授及其小組成功克隆得到了辣椒素受體VR1，隨後又被命名為TRPV1通道。TRPV1能被辣椒素特異地激活，同時也能被42℃以上的高溫激活，從而不僅首次提供了人吃辣椒為什麼會同時感到辣和熱的分子解釋，同時還揭示了溫度感受的機理[4]。這也拉開了TRP通道溫度感受研究的序幕。隨後，研究者們陸續發現了多種感知不同溫度範圍的TRP通道，這些對溫度敏感的TRP通道被統稱為thermoTRP。
迄今，在哺乳動物中已鑑定出11種thermoTRP，包括熱受體TRPV1-TRPV4和TRPM2-TRPM5，以及冷受體TRPM8、TRPC5和TRPA1。這些ThermoTRP可以感受整個生理範圍內的溫度，從產生痛感的灼熱，到令人舒適的溫暖及涼爽，再到刺骨的寒冷。此外，thermoTRP還可以被化學配體所激活，包括剛才提到的辣椒素，還有大蒜素、大麻素、薄荷醇和肉桂醛等（圖一）[5]。
圖一 ThermoTRP及其化學配體[5]
那麼這些thermoTRP是如何感知溫度的呢？要了解離子通道的門控機制，需要從它們的結構開始。
2013年，David Julius教授與華人科學家程亦凡合作，在《自然》雜誌連續發表了兩篇文章，解析了TRPV1關閉態和開放態的結構。通過對TRPV1關閉態結構的分析，研究者發現該通道與電壓門控離子通道具有相似的結構：TRPV1為四聚體，每個亞基具有六次跨膜α螺旋結構域，其中第5和第6個跨膜結構域共同構成通道孔區，第1-4個跨膜結構域構成電壓感受位點[6]。而在樹脂毒鹼（辣椒素類似物）和蜘蛛毒素DkTx存在的情況下，可以得到TRPV1的開放態結構，通過對其開放態與關閉態結構的對比，發現TRPV1有獨特的雙門通道激活機制（圖二）[7]，雖然其選擇性濾器是否構成真正能控制離子流動的上閘門尚有爭議[8]。
TRPV1及其他thermoTRP結構的解析解釋了它們配體門控的機制，但由於無法在不同的溫度下獲取相應的蛋白結構，故溫度如何激活thermoTRP通道的機制一直未能被闡明。
研究人員充分利用各種生物物理學技術和方法對溫度如何門控thermoTRP通道的機理進行了長期探索。溫度代表著區域微觀粒子的平均動能，而熱傳導會影響粒子排布。對於肽鏈和蛋白質來說，溫度改變不僅會影響胺基酸殘基的極性強弱，也會大程度改變蛋白質的構象。正是由於這種多模態參與的方式，阻礙了解析thermoTRP溫度門控機制的進程。
同時，不同種屬溫度敏感性的差異，比如，大鼠rTRPV1的激活溫度閾值~42℃，而吸血蝙蝠(Vampire bat）TRPV1的激活溫度約30℃，更是增加了鑑定溫度傳感結構域的挑戰性。對於TRPV1來說，目前鑑定出參與溫度門控的區域主要包括N端、C端、外孔區以及孔道區域（圖三）。
位於N端的錨定重複域（Ankyrin repeat domain，ARD）決定了十三條紋地松鼠和雙峰駝的耐熱性，如果把地松鼠來源的sqTRPV1通道第190位天冬氨酸換成類似大鼠的絲氨酸，會介導sqTRPV1熱敏感性增加，但不影響其辣椒素和酸誘導的化學激活[9]。
而實驗證明，連接ARD和第一個跨膜片段的N端，也被稱為細胞膜近端域（Membrane proximal domain，MPD），作為溫度感受器而參與介導TRPV1溫度敏感性，並決定了溫度刺激下的TRPV1通道開關過程中的能量變化和溫度感受特性。利用分子生物學手段將這段區域換進rTRPV2，hTRPV2或者mTRPV4等通道，不僅使溫度不敏感的亞型轉變為溫度敏感的通道，也會使野生型通道的溫度感受特性變得和TRPV1通道一樣[10]。
此外，受內源性胞內激動劑磷脂醯肌醇（Phosphatidylinositol-4,5-bisphophate，PIP2）影響的通道C端的近膜區與遠端，也都是感知溫度刺激的重要模塊[11,12]。將熱激活的TRPV1與冷激活的TRPM8 C端互換，可以交換其交換溫度敏感性，尤其是將TRPV1 Q727和W752兩個胺基酸殘基引入野生型TRPM8通道中，可以使其直接表現出熱激活的特性，且不與PIP2激活耦聯，這說明溫度傳感與傳統配體門控依賴的機制不同[13]。
有研究證明，N端和C端兩個胞內區也會通過相互作用介導TRPV1的熱失活[14]。除了胞內區，通道孔道及孔道周邊也參與了溫度敏感性調控，其關鍵位點，包括位於pore turret的C617、C622以及位於pore外孔區的N628、N652、Y653，突變後均會顯著影響TRPV1的溫度敏感性[15,16]。
冬眠的動物在非冬眠季節能夠維持穩定的體溫，而在冬眠季節其體溫是可變的，並且對低溫有很強的耐受力。冬眠動物如何忍受極端狀態下的長時間低溫呢？
研究者以十三條紋地松鼠作為主要的研究對象，這類松鼠是典型的冬眠動物，在休眠狀態，可以讓體溫長期維持在10℃以下。通過比對地松鼠與大鼠的冷敏感通道TRPM8，研究者發現地松鼠TRPM8在10-25℃的敏感性低於大鼠和小鼠。將地松鼠TRPM8通道跨膜結構域上的6個胺基酸序列替換為冷敏大鼠的相應序列可以恢復其冷敏感性[17]。
中國科學院昆明動物研究所賴仞團隊與浙江大學楊帆團隊合作，於2020年3月28日在《美國國家科學院院刊》發表題為「A paradigm of thermal adaptation in penguins and elephants by tuning cold activation in TRPM8」的研究論文，提出動物在適應進化過程中通過調整TRPM8通道孔區的胺基酸側鏈疏水性來調控TRPM8的冷敏感性，從而在功能層面上獲得具有物種特異性的TRPM8受體，輔助這些物種更好地適應他們所處的環境溫度[18]。
生活在寒冷環境中的帝企鵝、藏羚羊和犛牛，其TRPM8通道孔區的胺基酸側鏈疏水性偏小，冷敏感性較低；而生活在炎熱環境中的非洲象、跳鼠和雙峰駝則恰恰相反。不同物種間冷熱敏感性的差異可以使其佔據不同的生態位，獲得適宜的生存和繁衍空間，這也是生物進化過程中不斷適應環境變化的結果。
每個物種都有其最適宜的溫度範圍，超出範圍的溫度刺激往往與疼痛緊密相連。過熱會導致灼痛感，而寒冷會引起疼痛、瘙癢或者灼燒感。溫度和疼痛共享傳遞化學傷害、機械和熱刺激的一般軀體感覺纖維（圖四）。溫度感受的失衡可使舒適溫度從無害刺激轉變為有害刺激，從而導致病理性疼痛狀況。TRPV1-4、TRPA1、TRPM2、TRPM 3與TRPM 8均為公認的疼痛轉換器。由於thermoTRP的門控機制還受一些炎性介質調節，這些通道也被認為與其他病理性疼痛狀態有關，例如炎性痛覺過敏和糖尿病神經病變等[19]
對於癌症患者，化療後有時會並發嚴重的周圍神經痛，常規鎮痛藥不能完全緩解這類疼痛。在這類疼痛反應中常伴有鈣通道功能改變、表達異常和高熱敏性。TRP通道作為在背根神經節和三叉神經節高表達的對鈣離子有著較高選擇通透能力的通道，與化療引起的周圍神經痛密切相關。順鉑、奧沙利鉑和紫杉醇可以促進thermoTRP （TRPA1、TRPM8、TRPV1、TRPV2和TRPV4）通道的功能，引起通道表達水平升高、通道敏化及氧化應激反應，還會誘發機械、熱和冷痛敏反應。這些研究提示thermoTRP通道可以作為治療化療引起的神經痛的新靶標[20]。
越來越多的證據表明靶向thermoTRP通道的藥物可緩解癌症患者在化療時遭受的嚴重不良反應。例如，樹脂毒鹼可以作為「分子手術刀」，通過特異性激活其受體TRPV1通道引起表達TRPV1的痛覺感受神經元發生鈣內流與鈣超載，進而導致這些神經元的消除，作為慢性癌症疼痛的控制手段[21]。
武漢大學姚鏡團隊近期發現鈣依賴的TRPV1通道動態轉運在控制細胞的長時程痛覺不應中發揮關鍵作用，使得預先誘導TRPV1調節的痛覺感應進入脫敏狀態成為一種重要的鎮痛策略[22]。ThermoTRP的蛋白翻譯後修飾對其痛覺敏化的調控也有重要作用，上海交通大學李勇團隊與姚鏡團隊合作，解析了TRPV1 C端K822位點的SUMO化修飾是其炎性痛覺敏化的必要條件[23]。
目前已有多種針對TRPV1、TRPV3和TRPA1的小分子拮抗劑作為新型鎮痛藥進入臨床試驗，在海馬和杏仁核中高度表達的TRPC5被認為是焦慮症的治療靶點，而在其他系統的疾病，如哮喘、心臟肥大、肥胖、代謝紊亂以及癌症的治療中也在努力擴展靶向thermoTRP的藥物[24]。
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[25] 賴仞課題組網頁：http://sourcedb.kiz.cas.cn/zw/zjrc/yjy/200908/t20090813_2394253.html
[26] 楊帆課題組網頁：
https://www.x-mol.com/groups/fan_yang
[27] 李勇課題組網頁：https://www.shsmu.edu.cn/cbms/info/1104/3046.htm
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註：除標註外，圖片素材來源於網絡，版權歸原作者所有。
本文作者：
李婕 （上海交大醫學院碩士一年級）
齊昕 （上海交大醫學院博士二年級）
盧劍飛（上海交大醫學院博士後）
審核：
徐天樂 教授