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话说辣味 精选

已有 2806 次阅读 2015-6-9 07:19 |系统分类:论文交流

说起辣味,我们四川人一点儿也不陌生。辣,是川菜的经典味觉符号;辣,是很多人都喜欢的口味之一。可是,为什么我们能感觉辣味?为什么有的辣椒吃起来很辣,而有的比如甜椒就一点儿也不辣?为什么和我们人类相比,其他动物对辣不那么敏感,尤其是鸟类?在我们刚刚发表在Nature Chemical Biology的这篇文章里,我们深入到原子层次,试图获取一些这些问题的答案。

http://www.nature.com/nchembio/journal/vaop/ncurrent/full/nchembio.1835.html

故事的起点还要从辣椒素受体TRPV1离子通道说起。辣椒里面的辣味分子叫辣椒素,它可以专一地结合到我们体内的一种在细胞膜上的蛋白质,TRPV1离子通道上面。一旦辣椒素和TRPV1结合,TRPV1中心的孔洞就会被打开。打开之后,很多阳离子,比如钙离子,钠离子这些,就会通过这些TRPV1的孔洞进入我们的感觉神经元末梢,从而在神经元上产生电信号,让我们感觉到辣。自从TRPV1通道在1997年被克隆出来之后,研究者们就一直想搞清楚辣椒素是究竟怎样结合在TRPV1上面的,它的结合为什么就能把孔洞打开。

科学家们发现,鸟类比如鸡就不怕辣,它们对辣椒不敏感。是不是这就意味着来源于鸡的TRPV1和我们人类的TRPV1有一些关键的不同,而正是这些不同,让辣椒素不能打开鸡的TRPV1呢?2002年,加州大学旧金山分校的David Julius团队做了一个有趣的实验,他们把来源于人和鸡的TRPV1通道进行剪切和拼接,试图找出TRPV1上面决定辣椒素敏感性的部位。他们发现,突变TRPV1跨膜区的某些氨基酸之后,TRPV1就不能被辣椒素激活了,所以辣椒素就很有可能是和TRPV1的跨膜区结合。这个实验让我们对辣椒素的作用机制有了一定的了解,但是距离回答上面的问题还比较遥远。一是因为突变氨基酸可能会产生其他意想不到的效果来使TRPV1不敏感。一个蛋白质就像是一辆汽车,要让汽车跑不起来,我们可以破坏发动机,可以让邮箱漏油,可以让轮胎没气,总之有很多的办法能让蛋白质不工作。二是,Julius他们找到的氨基酸位点在人,鼠,鸟类等等很多TRPV1里面高度保守,也就是说,辣椒素敏感的人TRPV1有这样的位点,辣椒素不敏感的鸡TRPV1还是有同样的位点。这样的话,我们就很难理解为什么鸡会对辣椒不敏感了。

辣椒素作用机制研究的下一个重大进展发生在2013年。同样是David Julius团队,他们和Yifan Cheng团队合作,用冷冻电镜技术(single particle cryo-EM)解析了TRPV1通道的高分辨率三维结构。从TRPV1的三维结构上,他们可以直接观察到辣椒素分子对应的电子密度,以及它的结合部位。如他们2002年推测的,辣椒素果然结合在TRPV1的跨膜区里面。这项研究是一个里程碑式的工作,因为它第一次证明了应用新型的CCD相机,冷冻电镜对膜蛋白的分辨率能达到3-4Å这样的水平。然而,白璧微瑕,即使是4Å左右的分辨率,也不足以显示辣椒素和TRPV1之间的相互作用。更要紧的是,在这个cryo-EM结构里面显示的辣椒素分子的体积,比完整的辣椒素化学结构小了差不多一半。这样一来,我们虽然知道了辣椒素分子结合在TRPV1上面的位置,但是它和TRPV1之间的作用方式,以及剩下一半的辣椒素跑哪儿去了,就成了悬而未决的问题。

为了解决上述两个问题,从而完整地理解辣椒素的作用机制,从2014年起我们实验室开始用计算(分子对接)和实验(双突变循环)相结合的办法来做这个课题。按理说,TRPV1的结构也有了,辣椒素的结合位置也知道了,应该很容易做分子对接;但是,这个问题的独特性就在于辣椒素的结合口袋在细胞膜内部。我们知道,细胞膜内部的化学环境与膜外的水环境有很大的不同,这就造成了绝大多数用于分子对接计算的能量函数不能使用,因为它们都是针对水环境设计的。在2015年初的生物物理年会上,我和Yifan Cheng交流过辣椒素的分子对接问题,他告诉我当时他们也曾经尝试过用计算的方法来把辣椒素对接进去,但是得到的结果很不理想,问题就在于他当时使用的对接方法没有专门细胞膜环境。

对我来说特别幸运的是,Vladimir Yarov-Yarovoy 2012年来到我们系当教授,他当年在David Baker实验室开发了专门针对细胞膜环境的RosettaMembrane。这两年来我一直向他学习Rosetta,以及RosettaMembrane的使用,现在针对辣椒素这个课题正好派上用场!我使用RosettaMembrane的能量函数来做分子对接,得出的结果很吸引人:在结合口袋里,辣椒素分子的“头”(香草基)朝下,向着水-膜界面;“头”和“颈”(氨基)有固定的位置,而且它们的位置和cryo-EM中观察到的辣椒素电子密度特别吻合。它们的位置之所以固定,是因为在它们和TRPV1蛋白之间能形成两个氢键。它的“尾巴”(疏水碳链)向上冲着细胞膜内部,没有一个固定的位置,可以左右来回摇摆。

这样的分子对接结果可靠吗?至少从这个结果,我们可以直接回答为什么cryo-EM观察到的辣椒素分子电子密度小于其化学结构。这是因为,cryo-EM显示的结构是上千张照片平均之后的产物,那么相对固定的辣椒素“头”和“颈”在每一张照片里的位置都差不多,所以它们能最后出现在结构里。然而它的“尾巴”左右乱动,平均之后就看不见了。我们的分子对接提示了辣椒素“头”朝下“尾”朝上的构象,以及它和TRPV1之间的两个氢键,所以要检验分子对接的准确性,就是要检验是不是“头”朝下“尾”朝上,以及这两个氢键是不是真的存在。

如何来做这样的检验呢?我们和国内浙江大学,大连医科大学的同事们合作,化学合成了一系列的辣椒素类似物;我们又在TRPV1的辣椒素结合口袋里引入了一系列的氨基酸点突变。通过双突变循环来测量这些辣椒素类似物和TRPV1突变体之间的coupling energy,我们确信了辣椒素“头”朝下“尾”朝上的构象,那两个氢键的存在也和我们的实验证据相吻合。

有意思的是,我们的结果能很好地解释为什么鸡的TRPV1不能被辣椒素激活:和人TRPV1上形成与辣椒素分子的氢键的两个氨基酸对应的位置,在鸡TRPV1上是非极性的氨基酸,所以辣椒素不能和鸡TRPV1形成氢键。至于2002年Julius组发现的两个关键位点,其实它们之所以关键并不是它们能直接和辣椒素结合,而是它们突变之后,其较大的侧链能占据结合口袋的空间。

同样的,我们的实验也能解释为什么甜椒不辣:甜椒中主要的辣味成分的化学结构和辣椒素有所不同,它的“颈”不是氨基,所以它和TRPV1的结合就少了一个氢键,结合的稳定性大大下降。

从我们的实验结果出发,我们进一步用分子对接的方法研究了辣椒素在TRPV1不同状态下的构象,从而推测了辣椒素是如何打开TRPV1的孔洞:辣椒素的结合使得TRPV1上一个叫S4-S5 linker的α螺旋往通道外侧移动,这个linker的外移进一步使得它背后的S6 α螺旋外移,这样孔洞就打开了。这样,我们的研究就为辣椒素激活TRPV1的机制描绘了一幅比较完整的蓝图,当然,中间还有许多我们不理解的现象有待进一步地深入研究。




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