Учёные наконец раскрыли механизм работы белков, отвечающих за восприятие холода и ментола.
Что общего между ощущением кубика льда на коже и освежающим мятным эффектом зубной пасты? Оба явления активируют нервные окончания, чувствительные к холоду. Однако до сих пор учёные не могли точно объяснить, как это происходит на уровне отдельных белков в клетках.
Дэвид Джулиус — структурный биолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 2021 года за открытие белка TRPV1, отвечающего за восприятие остроты перца чили. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, он с коллегами подробно изучил белок, который позволяет нам ощущать прохладу ментола. Понимание работы этого «холодового» белка может в будущем привести к созданию более эффективных методов лечения гиперчувствительности к холоду — проблемы, часто возникающей у пациентов, проходящих химиотерапию при раке. При этом работать с белком оказалось намного сложнее, чем с его «родственником», реагирующим на тепло.
Белок, изучаемый в новой работе, называется TRPM8 — он служит основным рецептором в организме, распознающим как ментол, так и низкие температуры. Это канал, встроенный в клеточные мембраны: он открывается под действием падения температуры или охлаждающих веществ, пропуская ионы, которые запускают нервный сигнал «холод» в мозг. Учёным давно было известно, за что отвечает TRPM8, но принцип его работы оставался загадкой.
По словам Джулиуса, белок TRPM8 гораздо труднее исследовать, чем TRPV1 (отвечающий за восприятие жгучести перца). Проблема в том, что при извлечении из клеточных мембран стандартными лабораторными методами белок теряет свои естественные свойства — а именно их и пытались изучить исследователи.
Большинство рецепторов активируются молекулами-лигандами, которые, подобно ключу в замке, открывают канал. Учёные легко изучают такие рецепторы, фиксируя «замок» до и после активации — и легко восстанавливая, что произошло между закрытым и открытым состояниями. Но с температурно-зависимыми рецепторами вроде TRPM8 всё сложнее: температура воздействует на весь белок целиком, и простого «ключа» здесь нет. Чтобы «поймать» TRPM8 в движении, команде пришлось буквально снять «молекулярный фильм».
Учёные использовали высокочастотные ультразвуковые импульсы, чтобы извлечь TRPM8 из эмбриональных клеток человека, не повредив их окружение. Затем они изучили структуру белка методом криоэлектронной микроскопии: быстро заморозили канал в процессе перехода из полностью закрытого в полностью открытое состояние. Чтобы понять, какие части TRPM8 двигаются при этих изменениях, исследователи применили метод масс-спектрометрии с обменом водорода на дейтерий (HDX-MS) — он, как пояснил Джулиус, показывает, какие участки белка особенно подвижны. Комбинируя эти методы, команда получила серию «кадров» для молекулярного фильма и выяснила, что именно движется между ними.
«Ключевым новшеством стала именно комбинация методов», — отмечает Рэйчел Годе, профессор молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета, не участвовавшая в исследовании. «Такой подход позволил получить самое чёткое на сегодняшний день представление о том, как TRPM8 меняет форму в ответ на холод», — добавила она.
Исследователи увидели, что белок принимает форму, напоминающую бублик: внутренняя выстилка «дырки» определяет, открыта она или закрыта. Когда температура превышает 26 °C (79 °F), ионный канал TRPM8 (эта самая «дырка») закрыт. По мере снижения температуры белок переходит в более стабильное состояние: один из его ключевых структурных «столпов» резко изгибается, отделяется от соседа и выпрямляется. Затем этот выпрямленный «столп» сдвигается вверх, словно механическая защёлка, полностью открывая «ворота» — и рецептор посылает сигнал о холоде. «Такого мы раньше не видели», — отметил Ифань Ченг, структурный биолог Калифорнийского университета в Сан-Франциско и соавтор исследования.
Чтобы подтвердить результаты, учёные сравнили TRPM8 млекопитающих и птиц — у последних белок почти не реагирует на холод, хотя внешне почти не отличается. Выяснилось, что канал у млекопитающих гораздо более динамичен. «Поскольку птичий канал изначально очень стабилен, он не реагирует на охлаждение, которое могло бы дополнительно стабилизировать его», — пояснил Ченг. Оказалось, что секрет чувствительности TRMP8 млекопитающих к холоду — в его «неугомонности».
Джулиус и его коллеги также видят, как их открытия могут помочь в разработке новых методов лечения. «Гиперчувствительность к холоду — серьёзная проблема для пациентов, проходящих химиотерапию», — говорит Джулиус. Понимание точных механизмов работы белков вроде TRPM8 и TRPV1 может позволить учёным создать специфические блокаторы, которые снимут гиперчувствительность, не лишая человека способности ощущать нормальную температуру.
«Это хороший пример того, как научное сообщество может расширить горизонты и начать более изощрённо изучать структуру белков», — подытожил Джулиус.