從冰天雪地的南極，到赤日炎炎的非洲，所有生命體都需要適應(yīng)所處環(huán)境的溫度，才能生存和繁衍。而環(huán)境溫度適應(yīng)的前提，是生命體對溫度的精確感知。
在多種動物中，瞬時受體電位(TRP)離子通道家族的多個成員發(fā)揮著溫度感受器的作用。近年來，中國科學(xué)院昆明動物研究所賴仞研究員帶領(lǐng)的團隊在理解動物的溫度感知機制方面取得了一系列進(jìn)展。
最近，賴仞團隊開展了關(guān)于動物低溫適應(yīng)機制的研究，例如小鼠身體中的瞬時受體電位M8(TRPM8)通道可以被小于28℃的低溫激活，是重要的冷感受器。但是低溫激活該通道的分子機制，及其與脊椎動物環(huán)境溫度適應(yīng)的關(guān)系一直未被闡明。
為了揭示這些科學(xué)問題，賴仞團隊與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究團隊合作，對分布在不同棲息環(huán)境下的脊椎動物的TRPM8進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和功能的多樣性研究。他們首先觀察到，TRPM8通道的冷敏感性在南極帝企鵝與非洲象之間存在重大差異，即帝企鵝的TRPM8冷敏感性顯著低于非洲象。
當(dāng)研究人員把冷敏感性低的帝企鵝TRPM8通道敲入原本冷敏感性較高的小鼠后，小鼠不僅更偏好低溫環(huán)境，并且它們對低溫的耐受程度也有所提高。因此，對TRPM8通道冷敏感性的調(diào)控可以影響動物對環(huán)境溫度的適應(yīng)。
通過熒光非天然氨基酸成像與蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)計算建模的整合運用，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)低溫能引起TRPM8通道孔區(qū)中數(shù)個關(guān)鍵氨基酸的側(cè)鏈發(fā)生從包埋狀態(tài)到水環(huán)境暴露狀態(tài)的動態(tài)構(gòu)象變化，而通過改變這些氨基酸的側(cè)鏈?zhǔn)杷钥梢蕴禺惖卣{(diào)控通道冷敏感性的強弱：增大側(cè)鏈?zhǔn)杷裕商岣咴撏ǖ赖睦涿舾行浴?/p>
生活在寒冷環(huán)境中的動物如帝企鵝、藏羚羊和牦牛，其TRPM8孔區(qū)的氨基酸的整體疏水性偏小;而生活在炎熱環(huán)境中的動物如非洲象、跳鼠和雙峰駱駝，其TRPM8孔區(qū)的氨基酸的整體疏水性偏大。
通過這一系列實驗觀察，研究團隊提出了在微觀層面TRPM8感受低溫的生物物理機制：常溫時，位于TRPM8通道的孔區(qū)中存在的數(shù)個關(guān)鍵氨基酸，其側(cè)鏈隨機發(fā)生著在包埋、暴露兩種狀態(tài)之間的動態(tài)變化;當(dāng)溫度降低時，圍繞在氨基酸側(cè)鏈外圍的水分子熱運動降低，能更穩(wěn)定地形成水化籠并穩(wěn)定關(guān)鍵氨基酸側(cè)鏈的暴露狀態(tài)構(gòu)象，進(jìn)而使得該通道蛋白的動態(tài)構(gòu)象平衡偏向激活狀態(tài)。
基于對TRPM8冷敏感性的生物物理機制、轉(zhuǎn)基因小鼠行為和TRPM8孔區(qū)整體疏水性的一系列探索，研究人員提出了一種動物對環(huán)境溫度的適應(yīng)機制，即在物種的進(jìn)化適應(yīng)過程中，它們通過調(diào)整TRPM8孔區(qū)的氨基酸的整體疏水性，來調(diào)控冷敏感性，從而在功能層面上獲得具有物種特異性的TRPM8受體，進(jìn)而輔助這些物種更好地適應(yīng)它們所處的環(huán)境溫度。
相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上。(本報記者 趙漢斌)
關(guān)鍵詞： 溫度感知機制
