rp通道参与温度感受器电位作用机制的研究进展

rp通道参与温度感受器电位作用机制的研究进展

长期以来，温度感知机制一直是科学家们关注的问题。近年来研究发现,瞬时感受器电位(transientreceptorpotential,TRP)是存在于细胞膜或胞内细胞器膜上的一类超家族离子通道蛋白,由TRPC、TRPV、TRPM、TRPML、TRPP、TRPA、TRPN等7个亚家族组成。TRP家族的TRPV亚家族成员TRPV1、TRPV2、TRPV3、TRPV4,TRPM亚家族成员TRPM8和TRPA亚家族成员TRPA1与温度感受相关。本文就TRP的分子结构及其参与温度感觉的分子机制进行综述。1trp蛋白的结构和功能TRP亚家族的蛋白结构共性是都含有6个跨膜结构域,且在第5和第6跨膜片段间形成一个孔道环;蛋白的N-和C-末端均在胞内,N-末端的近800个氨基酸有30%～47%的同源性,且含有324个锚蛋白(ankyrin)重复序列;在C-末端有一个由25个氨基酸组成的高度保守的TRP结构域。但是TRP相关蛋白却或多或少地呈现结构特异性:(1)TRPV亚家族虽然在N-末端有3～4个锚蛋白重复序列,但是在C-末端缺少TRP结构域;(2)TRPM虽然含有TRP结构域,但是不含锚蛋白重复序列,而C-末端还有1个蛋白激酶结构域,因为TRPM蛋白既是离子通道又是酶,所以有学者将之命名为通道酶(chanzymes);(3)TRPN不具有在其他5个亚家族中都高度保守的TRP结构域,但其N-端却具有高达29个的锚蛋白样重复序列;(4)TRPP与TRPML相似,不具有锚蛋白重复序列和TRP结构域,但在第1和第2跨膜区之间却有很长的连接片断,形成胞外环。总之,不同的TRP亚家族虽具有自身的结构特点,但它们都具有高度保守的6次跨膜结构。这种结构和电压门控离子通道(volttage-gatedionchannels)如钙通道、钠通道和部分钾通道的α亚单位相类似,所不同的是TRP蛋白的第4跨膜节段不具有感受电压变化的碱性氨基酸。另外,电压门控离子通道的α亚单位基因编码4次重复的6次跨膜结构,而TRP基因只编码单个的非重复的6次跨膜结构。但已有研究提示,同一或不同的TRP蛋白可能通过形成同源或异源四聚体参与在体生理功能调节。TRP超家族蛋白的主要功能是作为非选择性阳离子通道对Ca2+具有高通透性,所以它既是兴奋性(神经和肌肉)细胞的电压门控或依赖性钙通道(voltage-gatedordependentcalciumchannel),又是非兴奋性(上皮、内皮、粘膜和肿瘤等)细胞的非电压门控或依赖性钙通道。胞内钙浓度变化在细胞功能如肌肉收缩、神经递质或调质的释放、细胞分化增殖、基因转录和细胞死亡等中都发挥重要作用,但是胞内钙增高无非有两个来源,其一是胞外钙内流,其二是胞内钙库动员流入胞浆,而TRP超家族成员在这两个来源上都起重要作用。TRP是感受体系中的门控分子,是外部环境与神经系统之间的中介,可以将热刺激、化学刺激以及机械刺激转换为内向电流。最新的研究表明,能激活TRPV通道的薄荷醇、肉桂醛和樟脑能调节磷脂酶C信号传导,从而导致细胞功能的改变。2trp通道与温度感觉的分子机制下面将TRP家族成员TRPV1、TRPV2、TR-PV3、TRPV4、TRPM和TRPA1这6个TRP成员分别给以简要介绍。2.1trpv1基因缺失TRPV1受体是目前研究得最多的TRP家族成员之一。1997年Caterina等成功地克隆了TRP-VI受体,也是该TRPV亚家族第1个被克隆的由432个氨基酸组成的通道蛋白,TRPV1主要表达于背根神经节和三叉神经节的小型神经元中,在大鼠背根神经节中,40%细胞表达TRPV1,其中主要是小型细胞。同时,一些非神经组织肾、肝、肺、支气管、胃肠道、肥大细胞、皮肤的角质细胞等也有TRPV1的分布。辣椒中的辛辣成分———辣椒素(capsaicin)和树胶脂毒素(resiniferatoxin,RTX)可使其活化,由于辣椒素及树胶脂毒素的分子结构中都具有香草醛的类似结构4-羟基-3-甲氧苯甲基(vanilly),因此TRPV1又被称为辣椒素受体(capsaicinreceptor)或香草酸受体亚型1(vanilloidreceptorsubtypel,VRl)。TRPV1除对辣椒素敏感外,还可以被伤害性热刺激、酸(pH<5.30)、炎性介质(如花生四烯酸代谢物)、组织损伤刺激物、细胞外渗透压的改变、胞内氧化还原状态、静电荷等激活,提示其为多觉感受器。特别是皮肤暴露于53℃温度和非痛性加热均可以激活TRPV1通道,在pH7.4条件下,热激活TRPV1的阈值温度是43℃。因为以往已了解皮肤热感受器在炎症和外周组织损伤时.可被酸性环境敏化,所以在酸性条件时,激活阈值向低温方向移动,pH6.3时的热激活阈值为30℃,在足够低的pH条件下就可以促使TRPV1通道开放。TRPV1基因敲除小鼠对热的反应明显降低甚至缺失,TRPV1阻断剂可以使动物和人的体温出现升高反应,说明TRPV1是热痛觉感受和参与体温调节所必须的生物分子。目前已经明确TRPV1通道蛋白激活时主要引起Ca2+等阳离子内流,以胞内Ca2+浓度增高的形式调节着相应的生理功能或病理机制的发生。电流-电压曲线和阳离子替代实验发现,TRPV1受体是阳离子非选择性受体通道,可通透多种2价阳离子,其中对Ca2+通透性最高。增高细胞外液温度(从22至45℃)可在表达TRPV1受体的非洲蟾蜍卵母细胞(xenopusoocytes)诱发出钙内流和内向电流,阈值>43℃,在45℃时电流达峰值,将pH值从7.6调至6.3时也可引起内向电流,而且可以增强热诱发电流的幅度,提示H+可以激活并调节TRPV1受体。从TRPV1受体缺失小鼠分离的背根神经节细胞,对辣椒素、>45℃的热刺激和H+(pH5.0)均缺乏反应电流;行为学检测发现TRPV1体缺失小鼠对伤害性辐射热刺激、热板试验和热水浸尾试验的缩足和甩尾潜伏期异常增高,但是机械刺激试验引起的缩足和甩尾阈值正常。从TR-PV1的分子生物学和分子药理学研究的一系列结果来看,它可能是伤害性热感受器的分子结构基础,TRPV1的基因克隆和功能鉴定为后来TRPV亚家族温度感受器的陆续发现开创了先河,这一成果无疑是躯体感觉神经生物学和疼痛神经生物学领域中的重大突破。2.2trpv2通道对热痛刺激的作用TRPV2又称香草酸受体相关蛋白(vanilloidreceptor-likeprotein1,VRL1),是一种非选择性钙通道。主要分布在感受热伤害性和机械刺激的A类神经。TRPV2通道在背根神经节(DRG)的中等大小细胞和较大细胞中有较高表达,但它也存在于大脑、脊髓背角以及脾和肺。大鼠TRPV2通道与其TRPV1通道具有66%的同源性。但它对辣椒素、质子等TRPV1的激动剂不敏感,异源表达的TRPV2通道并不被香草精类化合物或酸所激活,在达到53℃时Ca2+通道开放,也可以被生长因子如IGF-1激活,因此,TRPV2感受极度的热伤害性刺激。这表明TRPV2可能起着调节高阈值、伤害性热痛刺激的作用。反复给与热刺激,TRPV2对热的敏感性会增加,在40℃时就会产生电流。而在非神经系统存在则显示TRPV2可能还有其它未发现的功能。编码TRPV2的基因在感觉神经元中高度表达,在许多脑和非神经元织也发现其转录产物,提示它可能还具有其它的功能。Muraki等研究表明,此阳离子通道在大动脉壁细胞能感受渗透压的变化,同时又是一重要的牵张感受器。另外,小鼠TRPV2还可被胰岛素样生长因子(IGF-1)调节,因此又称为生长子调节通道。TRPV2也被称作是可伸缩性通道,在血管平滑肌细胞中有着重要作用。目前认为TRPV1和TRPV2在伤害性刺激的痛觉感受中起核心作用。2.3trpv3在小鼠肠道组织中的激活TRPV3是人类基因组查找出一个与TRPV1同系的成员,2002年,Xu等报道了TRPV3基因在染色体上的确切位置,即位于人染色体17p13,小鼠染色体11B4,与TRPV1基因极其靠近,两者相距仅约10kb。TRPV3与TRPV1有38%同源性。它主要在人类中枢神经系统和感觉神经元如在背根神经节、三叉神经节和脑可以表达,同时也在皮肤特别是表皮层边缘的角化细胞中表达。最新的研究表明在小鼠结肠末端上皮细胞中成功的提取出TRPV3mRNA。对trpv3转染后的CHO(Chinesehamsterovary)细胞或人胚肾293细胞(humanembryonickidneyHEK293cell)研究显示,辣椒素、低pH(pH=5.4)、低渗透压均不能激活TRPV3,直接加热可使此通道开放,激活TRPV3的温度从23～39℃,导致Ca2+内流,并且在一定范围内随温度升高电流增大。当刺激温度从室温升至45℃时,若只给1次温度刺激,TRPV3的电流非常小,若反复进行该温度变化刺激,TRPV3电流反应显著增大,这种现象同样在TRPV1和TRPV2也观察到。TRPV3受体的激活和TRPV1有关,Smith等发现,在DRG,TRPV3与TRPV1共表达。当在体外异源表达时,TRPV3和TRPV1也能形成功能性的异聚体。这表明,TRPV3通道不仅能单独发挥功能,它也可以和其它TRPV亚基形成异聚体通道。2.4trpv通道对伤害性具控制率的作用TRPV4通道是瞬时感受器电位离子通道家族香草素受体亚家族成员,属非选择性阳离子通道,又称VR-OAC或VRL2。TRPV4是作为低渗透压激活的渗透压感受器被发现的。2002年,Guler等用TRPV4cDNA转染非洲爪蟾卵母细胞(xenopusoocyte)和人胚肾293细胞,发现TRPV4还可感受27℃以上的温和热刺激。TRPV4与TRPV1有40%同源性,与TRPV3有30%同源性,钙离子具有适中通透性,可被生物体内外环境中机械力、热低渗、剪切力、佛波醇酯衍生物等多种理化刺激所激活,参与维持机体内环境的稳定,对机体许多生理功能的正常完成有重要意义,最近的研究表明TRPV4和其他分子一起参与生理反应,如细胞容积改变、上皮细胞渗透压调节和血管扩张,TRPV4基因缺乏小鼠外表正常但对各种刺激表现出异常的反应,这说明TRPV4在物理因素介导的感觉中有着重要的作用。TRPV4通道对伤害性刺激的感受能力受其机械敏感性和渗透压敏感性调节。Alessandri等用膜片钳研究不同渗透压下离体培养的背根神经节神经元膜电势的变化时发现,低渗液(219mOsm)可诱导敏感神经元胞膜去极化(从58mV到45mV)。2.5trpm8基因敲除小鼠的冷觉和冷觉作用2001年,Tsavaler等用人类前列腺特异性互补DNA(cDNA)文库的方法鉴别出了一种新型的前列腺特异性基因,后来命名为TRPM8,又被称为CMR1(冷和薄荷醇受体1)。TRPM8通道能够被冷刺激和薄荷醇、桉叶脑等冷却剂激活,其分子量约130ku,人类编码TRPM8的基因位于染色体部位Zq37.1,全长102.12kb,由25个外显子构成。它编码的mRNA可以翻译为含有1104个氨基酸的蛋白质。除前列腺外,TRPM8也在背根神经节和三叉神经的感觉神经元,以及肠系膜迷走神经节、胃底、血管平滑肌、肝脏、膀胱上皮和男性生殖系统中表达。已证实爬行动物和哺乳动物体温调节系统具有同源基因,TRPV和冷感觉的TRPM8在鳄鱼的肝、肌肉和心脏组织中表达,其功能像内在的体温计和外部的温度感受器。TRPM8最主要的功能是作为躯体感觉系统的冷觉感受器。在哺乳动物中,冷感觉被认为通过传入感觉神经纤维A和C亚型来介导。克隆的TRPM8通道也可被冷(8～28℃)刺激激活,使非选择性阳离子通道开放,主要引起Ca2+内流。TRPM8在25℃以下时开始出现明显的内向电流,与感觉神经元典型的动作电位相一致,在Ca2+成像试验中获得了相似的温度阈值。关于TRPM8是否在深层体温调节中起重要作用,3个研究小组已用TRPM8基因敲除小鼠证实了TRPM8是介导体外冷感觉的关键通道,与正常鼠不同的是,基因敲除小鼠缺乏对舒适暖区,即超过低温的选择。然而,变异正常动物对有害的冷刺激保持回避。前两组在对冷区域(-1℃或0℃)的防伤害行为的研究中没有发现任何选择性,而第3组发现在从冷区域回缩时潜伏期增长。所有3组结果都表现出TRPM8基因敲除小鼠对丙酮的冷作用缺乏防伤害反应。TRPM8敲除小鼠介导冷感觉的机制是什么呢?为了解决这方面的问题,Dhaka等设计从小鼠TRPM8基因位点上找到表达出增强的绿光蛋白(EGFP,来自半合子(TRPM8EGFPf/)小鼠的所有EGFP阳性的DRG神经元对冷觉和薄荷醇都有反应,相反,来自纯合子小鼠(TRPM8EGFPf/EGFPf)的所有EGFP阳性的DRG神经元对冷觉和薄荷醇的反应明显降低。TRPM8EGFPf神经元在脊髓表层中表达的研究发现,TRPM8在DRGs中与冷感觉有关,并证实了体内冷感觉纤维具有独特的解剖结构。2.6trpa1蛋白及代谢2003年Story等研究发现TRPA亚家族的ANKTM1,这种通道在温度低于17℃时被激活,辣椒素、肉桂油等天然的辛辣成分也可激活ANK-TM1,但它对薄荷醇无反应,现被命名为TRPA1。最初ANKTM1仅发现存在于背根神经节,与TRPM8同源性较低,有趣的是,在DRG中,97%的TRPA1和TRPV1共表达,提示这种通道可能介导了伤害性冷刺激。TRPA1在内耳和三叉神经以及背根神经节神经元中表达,并且TRPA1在小鼠伤害性感受器的末梢神经很集中。有报道称TRPA1也能在纤毛细胞中表达。这表明TRPA1可能与听力反应有关,它被芥子油、大蒜、冬绿油、丁香油、姜和桂皮油等刺激性成分激活,所有这些成分都能诱导急性疼痛,