Cell | 蝎子毒素是“芥末受体”新型激动剂

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撰文 | 我的闺蜜老红帽

责编 | 兮

TRPA1离子通道，又称芥末受体（wasabi receptor），是特异表达于初级传入神经元（感觉神经元）上的跨膜受体。其激动剂通常来源于一些具有刺激性的植物，比如芥末、洋葱、大葱等【1,2】。我们在吃沾有芥末的寿司或切割洋葱时潸然泪下，往往是因为这些激动剂对TRPA1胞内氨基端的特定位点的半胱氨酸残基进行了共价修饰，从而活化TRPA1【3,4,5】。

与此同时，通过冷冻电镜技术解析出的TRPA1的结构显示：TRPA1的胞内部分的确存在一处高度折叠的，可供修饰的，被称之为“异构点”的结构，也就是说，这个异构点很可能是TRPA1胞外部分受激动剂刺激之后，胞内部分发生构象变化，从而活化受体，启动下游信号的关键之处【6,7,8】。

当然了，芥末、洋葱并不适合直接用作受体研究的激动剂。2019年8月22日，来自加州大学旧金山分校的David Julius课题在Cell杂志发表题为A Cell-Penetrating Scorpion Toxin Enables Mode-Specific Modulation of TRPA1 and Pain的文章，力图寻找特异高效的TRPA1激动剂，并揭示其作用机理。

作者首先将目光投向动物毒液这类由动物分泌，可以造成红肿、疼痛、神经麻痹，甚至死亡的天然化合物库。因为TRPA1活化的标志之一为胞内钙离子浓度升高，所以，作者构建了可以稳定表达TRPA1的HEK293T细胞，通过细胞钙成像手段，筛选毒液库中可以有效升高胞内钙离子浓度的化合物（如下图B，AITC是传统TRPA1激动剂）。幸运的是，作者发现，澳大利亚黑石毒蝎（Urodacus manicatus，如下图A）所分泌的毒液符合这一条件，并且，通过高效质谱，一种具有生物活性，被作者命名为“芥末受体毒素”（WaTx）的多肽被分离提纯出来。

接下来，作者检测WaTx性能如何。作者发现，WaTx可以有效提升细胞膜电位，但是，同时加入WaTx和TRPA1受体抑制剂A-967079后，膜电位则不发生变化。与此同时，作者还发现，WaTx可以活化正常小鼠的感觉神经元，但是，却不能活化TRPA1缺失小鼠的感觉神经元。这些结果表明，WaTx是高效且特异性针对TRPA1的激动剂。

WaTx与已知的TRPA1激动剂，比如AITC，有明显不同，一是体积和分子量较大，算是大分子；二是不具有明显的亲电性，三是其序列也比较特别。这些提示了WaTx作用机理也许与众不同。作者通过体外脂双层相融实验发现，WaTx可以迅速高效的穿过与细胞膜极类似的脂双层结构。那么，体内是否也是如此呢？作者通过液相核磁共振实验发现，WaTx含有一个由两支二硫键固定的高度稳定的螺旋发卡结构，这一类似大头针的结构，很可能是其穿膜的结构基础。这些结果提示，WaTx很有可能是通过穿过细胞膜，直接与TRPA1胞内段起作用。

之前的工作提到传统TRPA1激动剂是通过改变胞内的异构点构象而激活受体的，那么，WaTx穿过细胞膜后，是否也与异构点发生作用呢？作者通过分析TRPA1的三维结构，发现其胞内羧基端的TRP结构域可以和异构点形成一个口袋状的结构（如下图所示），这很可能是TRPA1捕捉WaTx的结构基础。并且，作者通过生化手段发现，WaTx可以和TRPA1在体外发生直接而十分稳定的蛋白质相互作用。

既然传统TRPA1激动剂和新发现的WaTx都作用于异构点这一结构，那么，这二者之间又有何异同呢？作者发现，传统TRPA1激动剂AITC只能瞬时打开受体通道（小于5毫秒），而WaTx时间相对较长（约20毫秒），所以说，WaTx更像是在稳定地修饰受体，而不是简单地打开开关。

最后，作者探讨了WaTx活化TRPA1后所引起的下游反应。作者发现，与AITC相比，给小鼠脚底注射WaTx，同样可以活化痛感神经元，引起疼痛反应，但是，如下图所示，却没有引起包括肿胀，神经多肽CGRP释放等等为标志的神经炎症反应。因为CGRP的释放与钙离子浓度密切相关，所以，作者认为，与AITC相比，WaTx导致因受体活化而引起的钙离子通透性降低，从而抑制了神经多肽CGRP的释放，也因此阻断了神经炎症的发生。

这篇文章如下图所示，作者发现一种新的痛感受体TRPA1的特异高效激动剂—蝎子毒素WaTx，并提出了其作用机理，即穿过细胞膜，与TRPA1胞内异构点直接结合，从而起到稳定TRPA1活化构象，降低钙离子通透性的作用，最终激活疼痛反应，却因为低水平的钙离子浓度，而没有引发神经炎症。这是一篇结构与功能研究相结合的佳作，其亮点在于，作者发现，不同的激动剂，与同一个受体相作用，并且作用于受体的同一个结构域，其作用机理却不尽相同，所引起的下游反应也截然不同。既是结构功能学研究的范本，又为该领域研究开阔了新的思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.07.014

制版人：珂

参考文献

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