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又一小步:辣椒素敏感性的转移 精选

已有 1261 次阅读 2016-6-14 06:43 |系统分类:科研笔记|关键词:辣椒素 离子通道

发了不少文章,第一次让自己名字的中文显示出来!老板搞研究的历史更长,文章更多,可这篇也是他的第一次。

http://www.pnas.org/content/early/2016/06/07/1604180113.abstract

这篇PNAS文章里,我们实际上还是想回答一个大问题:人为什么能感觉到辣?已知的是,辣椒里面有个叫辣椒素的分子,它能引起辣的感觉;人体内有一个叫TRPV1的离子通道,它是我们的疼痛感受器。一旦TRPV1被辣椒素打开,我们就能感受到辣。我们的研究就是想具体地回答为什么辣椒素能打开TRPV1。

我们去年的研究已经为理解辣椒素激活TRPV1通道搭建了一个框架(见我去年写的[话说辣味], 虽然严格意义上说,”辣“并不是一种味觉)。如果我们去年的理解是靠谱的话,那么理论上我们就能把辣椒素的敏感性引入到一个本来不敏感的离子通道上去。我们选择了TRPV2通道,因为它和TRPV1同属于一个家族,且三维结构相似性比较高。通过序列比对,可以清晰地看到在TRPV1上对辣椒素结合很重要的氨基酸在TRPV2上全突变掉了,变成了不让辣椒素结合的。所以,自然地思路就是把这些TRPV2上的位点变得和TRPV1上一样,这样就能让辣椒素结合在TRPV2上来激活它了。这样的氨基酸一共有4个,也不算多,所以把它们全突突掉不就得了?

研究从来没有这么简单,电生理一测,含这样4个突变的TRPV2还是不能被辣椒素激活。。。 但是,一个辣椒素的类似物,源自大戟属植物的树脂毒素resinifertoxin却能激活这个突变的TRPV2。这个resinifertoxin同时也是TRPV1的激动剂,说起来它应该是已知最辣的物质啦!更有意思的是,和我们最初的设计相反,辣椒素不但不能激活突变TRPV2,反而能抑制树脂毒素resinifertoxin对突变TRPV2的激活。这些都是为什么啊?

幸好,TRPV1的高分辨率三维结构在2013年得到解析,TRPV2的结构也在今年初解出来了。对比它俩的结构,其实疏水性,电荷分布这些性质都很相似,哪怕是在辣椒素结合的区域。唯一一点比较大的不同,就在于TRPV2的S4-S5 linker比较靠下,让这个辣椒素结合比TRPV1上的在空间上大了一些。这会导致上述实验观察到的差别吗?

这种情况下,就该计算登场了。和去年的研究一样,在Rosetta里使用了专门针对细胞膜环境的能量函数来做分子对接。既然树脂毒素resinifertoxin能激活TRPV1和突变TRPV2,就来先看看它的docking。在TRPV1上,resinifertoxin的构象和辣椒素类似,都是头朝下,尾巴朝上。但是,resinifertoxin的尾巴比辣椒素的尾巴大多了,所以它的尾巴能提供更多的范德华力,让resinifertoxin和TRPV1的结合很紧密。resinifertoxin的头可以让TRPV1的S4-S5 linker朝S1-S4 domain移动,这个构象变化很关键,因为这样一动就能让S4-S5 linker后面的S6外移,从而打开离子通道。我们的这些计算的结果和冷冻电镜的实验数据也很吻合。在突变TRPV2上,树脂毒素resinifertoxin的结合方式和它在TRPV1上十分相似,也是介导了S4-S5 linker的外移,所以它能打开这个离子通道。

那为啥辣椒素只能激活TRPV1,却抑制我们设计的突变TRPV2呢?计算的结果显示,其实辣椒素在这两个通道上的结合位置和方式都很相似,不同的是,因为TRPV1的S4-S5 linker比较靠上面,所以辣椒素的头部能和它形成氢键,把S4-S5 linker往外拉,让通道开放。但是在突变TRPV2上面,S4-S5 linker位置靠下,辣椒素的头部就够不着4-S5 linker了,所以它能很好的结合,但是结合上去之后却不能打开这个通道,还妨碍resinifertoxin的结合。这样辣椒素就是一个突变TRPV2的竞争性抑制剂了,就是占着茅坑不拉屎啊!我们的电生理数据很好地支持了计算的结果,在突变TRPV2上辣椒素确实能和树脂毒素resinifertoxin竞争。

科学研究,在我看来就是不光要知其然,还要抽丝剥茧,知其所以然。在这篇文章里我们再次结合电生理和计算,既验证了我们去年的工作,又解释了观察到的新现象,为今后的研究又指了方向。如果我们设计的这个突变TRPV2有什么实际用途的话,我想经过进一步改进,它可以作为chemogenetics的一个有效工具。

对自己而言,如果我的科研生涯有一个总体的目标的话,那就是如之前所写“我太想证明给整个生物学术圈看,计算的东西也能有价值,也能指导实验。” 如果还是用战争作比喻,去年的辣椒素研究里,计算起了一个装甲侦察兵的作用,它很快且很好的指明了目标,该突变哪些位点,该突变成啥样的。有了计算的火力侦查,分子生物学,电生理这些传统的生物学手段就像步兵,能更顺利地展开攻击,实打实地拿下阵地赢得胜利。这次的研究,则是步兵先上,攻克了部分阵地,但是碰上了难办的火力点。这时计算这个装甲兵再出手,帮步兵攻坚克难。

这两次的研究里,我对计算的价值,以及它的局限性,有了不少体会。在现在的生物研究中,绝大多数人没有把计算当回事儿。我完全理解这种现状,因为很大程度上这是由计算自身的局限性以及搞计算的人的随意造成的。记得开会时和程亦凡聊,他说他们最初解出TRPV1的高分辨率结构时,也找了做计算的人合作,想弄清辣椒素在TRPV1的结合构象。他们的docking结果是有时候辣椒素头朝下,有时候头朝上,他们的合作者说:你想让它朝下,我就给你朝下的结果;你想让它朝上,就给你朝上的结果... 搞得他完全不能相信这样的计算。要知道,做实验室的人,一旦决定了要依据某项计算结果来实验,就会投入大量的时间,人力和物力,计算的结果不可靠或者做计算的人不靠谱的话,有谁敢这样盲目地投入啊!

现在的计算,我指和蛋白质3维结构相关的modeling和docking这些,能达到的水平是能在有足够多的外部限制条件下(高分辨率的晶体或者冷冻电镜3维结构,活细胞状态下的其它的实验数据),回答一两个很具体的问题。所以,知道现在计算的水平,才能知道该在什么时候什么情况下用它。哪怕再强大的坦克,放在山地里用也会抓瞎,更何况现在的计算只相当于一战水平的坦克... 话说回来,哪怕仅仅是一战水平的坦克,放在索姆河战场也能产生震撼的效果,最主要的还是要看人怎么用。

致谢:

NIH 的Feng Zhang 同学和我在这个课题上有很好的讨论,让我获益良多。他也发现可以用4个点突变让TRPV2变得对树脂毒素resinifertoxin敏感。他的[文章](https://elifesciences.org/content/5/e16409) 最近发表在eLife。最妙的是,虽然事先我们都互不知道,但是文章发表后把他的4个点突变和我的4个点突变一比较,其中有3个都是一样的,而且最关键的两个突变完全一样。这就是科学的魅力,真实就在那里。




http://blog.sciencenet.cn/blog-796366-984440.html

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1 周健

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GMT+8, 2017-11-20 23:32

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