姚鏡課題組在PNAS發(fā)文報(bào)道了TRP通道研究的新進(jìn)展
2022年4月22日，《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）在線刊發(fā)了武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院姚鏡教授課題組的最新研究進(jìn)展，論文題目為“Identification of an arthropod molecular target for plant-derived natural repellents（在節(jié)肢動(dòng)物中解析了植物源驅(qū)蟲(chóng)劑的分子靶標(biāo)）”。
瞬時(shí)受體勢(shì)（Transient Receptor Potential, TRP）通道在化學(xué)及物理信息感知、中樞信息處理等過(guò)程中發(fā)揮重要功能。作為感覺(jué)系統(tǒng)先驅(qū)的TRP通道，在進(jìn)化中相當(dāng)保守，從低等微生物到高等脊椎動(dòng)物體中均廣泛存在。節(jié)肢動(dòng)物誕生于五億多年前的寒武紀(jì)大爆發(fā)時(shí)期，構(gòu)成了如今動(dòng)物界種類最多的一個(gè)門類。它們參與生態(tài)平衡的維持，與人類生產(chǎn)、生活關(guān)系密切，但同時(shí)也是疾病傳播的載體。植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中與節(jié)肢動(dòng)物建立了不可分割的關(guān)系，比如植物借助節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行傳花授粉，同時(shí)植物也會(huì)產(chǎn)生一些天然化合物來(lái)防御某些節(jié)肢類天敵?，F(xiàn)今，從植物中分離提取的天然化合物提供了一種環(huán)保且有效的驅(qū)蟲(chóng)策略，但其在節(jié)肢動(dòng)物中的直接分子靶點(diǎn)仍待進(jìn)一步闡明。
被譽(yù)為“活化石”的蝎子（scorpion）有著4億4千萬(wàn)年的進(jìn)化史，在地球上廣泛分布，歷經(jīng)各種極端環(huán)境變遷而存續(xù)了下來(lái)。為探究TRP通道介導(dǎo)的應(yīng)激響應(yīng)在蝎子對(duì)環(huán)境適應(yīng)中的貢獻(xiàn)，課題組選取了在我國(guó)廣泛分布的東亞鉗蝎（Mesobuthus martensii）為研究對(duì)象，通過(guò)建立新的行為學(xué)模式（圖1A），探究了不同驅(qū)蟲(chóng)藥物對(duì)蝎子行為的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蝎對(duì)從香茅中提取的天然驅(qū)蟲(chóng)劑‘香茅醛’和‘香茅醇’表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)避反應(yīng)（圖1B）。進(jìn)一步，研究人員成功分離了蝎子的外周感覺(jué)神經(jīng)元并進(jìn)行了藥物刺激下的電生理記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種化合物均能強(qiáng)力激活神經(jīng)元，且此激活效應(yīng)能被TRP通道的廣譜抑制劑所抑制（圖1C-G）。通過(guò)調(diào)研武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李文鑫等老師成功建立的東亞鉗蝎基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù), 利用TRP通道蛋白的保守結(jié)構(gòu)域，結(jié)合基因組篩選及膜片鉗電生理實(shí)驗(yàn)，研究人員首次克隆并鑒定了一個(gè)表達(dá)于東亞鉗蝎中的瞬時(shí)受體勢(shì)電位通道，命名為sTRP1。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該通道能夠被外源表達(dá)在HEK293細(xì)胞中，并和蝎外周神經(jīng)元一樣能夠有效響應(yīng)天然驅(qū)蟲(chóng)劑的刺激（圖1H-J）。
圖1. 天然驅(qū)蟲(chóng)劑香茅醛和香茅醇靶向激活蝎子sTRP1通道，進(jìn)而介導(dǎo)蝎子的規(guī)避反應(yīng)。
為進(jìn)一步明確sTRP1通道介導(dǎo)的化學(xué)感受在蝎規(guī)避行為中的作用，研究人員通過(guò)基因進(jìn)化樹(shù)分析和蛋白序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)表達(dá)在黑腹果蠅中的trpγ基因與strp1基因具有較高相似性（圖2A）。先前的研究結(jié)果顯示果蠅的TRPγ作為dTRPL通道的配體亞基在果蠅視覺(jué)光感受中發(fā)揮作用，隨后的研究則表明dTRPγ還定位于果蠅腿關(guān)節(jié)部位參與調(diào)控果蠅的精細(xì)運(yùn)動(dòng)。利用sTRP1通道的激動(dòng)劑，研究人員深入開(kāi)展了針對(duì)dTRPγ的電生理研究，結(jié)果表明trpγ基因所編碼的蛋白也是一種離子通道，響應(yīng)天然驅(qū)蟲(chóng)劑香茅醛和香茅醇的刺激（圖2B-D）。在果蠅中開(kāi)展了氣體接觸趨避實(shí)驗(yàn)（Direct airborne repellent test, DART），結(jié)果顯示野生型果蠅對(duì)天然驅(qū)蟲(chóng)劑香茅醛和香茅醇刺激表現(xiàn)出強(qiáng)烈的規(guī)避行為，而將果蠅中所表達(dá)的13種不同的trp基因逐個(gè)敲除，唯有trpγ基因缺失的果蠅失去了對(duì)天然驅(qū)蟲(chóng)劑的規(guī)避反應(yīng)（圖2E），表明dTRPγ通道亦是一種化學(xué)感受器，參與果蠅對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。
圖2. 作為蝎trp1同源基因的果蠅trp?亦編碼為功能性的離子通道，介導(dǎo)天然驅(qū)蟲(chóng)劑香茅醛和香茅醇的刺激，誘發(fā)果蠅規(guī)避避反應(yīng)。
姚鏡課題組聚焦TRP通道調(diào)控及其在健康與疾病中的意義進(jìn)行了系統(tǒng)研究。近年來(lái)，在深入解析TRP通道的門控機(jī)制與功能調(diào)控機(jī)理的基礎(chǔ)上（PNAS, 2019; J. Biol. Chem. 2020; Front. Cell Dev. Biol., 2021），揭示了其在生理病理過(guò)程中的關(guān)鍵作用（Nat Commun., 2018；FASEB J., 2020；eLife, 2021; BMC Biol., 2022）。本項(xiàng)研究則揭示了瞬時(shí)受體勢(shì)通道sTRP1/dTRP?作為天然驅(qū)蟲(chóng)劑的分子靶標(biāo)，參與介導(dǎo)節(jié)肢動(dòng)物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，擴(kuò)展了對(duì)TRP通道在跨物種尺度上的功能性理解。武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的田泉、王培宇和謝暢為本文的共同第一作者，龐培源、張由婧、高悅、李欣欣、張傳庚和胡娟等同學(xué)也參與了研究，姚鏡教授為通訊作者。此外，武漢大學(xué)的李文鑫、吳英亮、曹志賤老師，法國(guó)國(guó)家健康與醫(yī)學(xué)研究院的李棟棟研究員和美國(guó)德克薩斯大學(xué)休斯頓健康科學(xué)中心的Michael X. Zhu教授參與了該項(xiàng)研究。果蠅相關(guān)研究得到了武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)研究院宋威和華中科技大學(xué)張珞穎等老師的幫助。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等的項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2118152119
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