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(dòng)物中，瞬時(shí)受體電位(TRP)離子通道家族的多個(gè)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(dòng)物研究所賴仞研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在理解動(dòng)物的溫度感知機(jī)制方面取得了一系列進(jìn)展。

最近，賴仞團(tuán)隊(duì)開展了關(guān)于動(dòng)物低溫適應(yīng)機(jī)制的研究，例如小鼠身體中的瞬時(shí)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(jī)制，及其與脊椎動(dòng)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(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)合作，對分布在不同棲息環(huán)境下的脊椎動(dòng)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(dòng)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(jì)算建模的整合運(yùn)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(gè)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(dòng)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(qiáng)弱：增大側(cè)鏈?zhǔn)杷?，可提高該通道的冷敏感性?/p>

生活在寒冷環(huán)境中的動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)觀察，研究團(tuán)隊(duì)提出了在微觀層面TRPM8感受低溫的生物物理機(jī)制：常溫時(shí)，位于TRPM8通道的孔區(qū)中存在的數(shù)個(gè)關(guān)鍵氨基酸，其側(cè)鏈隨機(jī)發(fā)生著在包埋、暴露兩種狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)變化;當(dāng)溫度降低時(shí)，圍繞在氨基酸側(cè)鏈外圍的水分子熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jī)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(dòng)物對環(huán)境溫度的適應(yīng)機(jī)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。(趙漢斌)

相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上。

關(guān)鍵詞： 非洲象