Учёные определили неожиданную атомную структуру "холодового" сенсора TRPM8

Исследователи из Института Скриппса (TSRI) и Университета Дьюка впервые определили атомную структуру белка TRPM8 (Transient Receptor Potential Melastatin 8). Этот молекулярный сенсор в нервных окончаниях отвечает за обнаружение низких температур, а также ментола и других химических веществ, вызывающих ощущение холода.

Это открытие ускорит разработку терапевтических препаратов, нацеленных на TRPM8. Соединения, взаимодействующие с этим сенсором (как это делают мази с ментолом), могут помочь в лечении некоторых форм хронической боли, воспалений, мигреней и даже рака.

"Знание атомной структуры TRPM8 и его реакции на холод, ментол и другие стимулы должно помочь в разработке мощных и селективных новых лекарств, нацеленных на этот сенсор", — заявил соавтор исследования Габриэль К. Ландер.

Открытие, опубликованное 7 декабря 2017 года в журнале Science, также является значительным техническим достижением. С момента идентификации белка в 2002 году многие группы безуспешно пытались определить его структуру с помощью рентгеновской кристаллографии. Получение структуры TRPM8 высокого разрешения было сложной задачей из-за нестабильности белка вне его естественной среды в клеточной мембране. Без мембраны TRPM8 теряет структурную целостность. Кроме того, сенсор имеет сложную структуру, состоящую из четырёх идентичных копий белка.

Для этого проекта Ландер и его коллеги использовали криоэлектронную микроскопию (cryo-EM). Команда начала с скрининга белков TRPM8 из более чем десятка видов животных, включая человека, мышей и птиц, чтобы найти наиболее стабильный вариант для исследования. Они остановились на белке TRPM8 из птицы — мухоловки-пеструшки.

"Все данные указывают на то, что TRPM8 мухоловки работает так же, как и у млекопитающих, поэтому мы уверены, что наш структурный анализ будет напрямую применим к человеческой форме этого сенсора", — сказал Ландер.

Учёные столкнулись с трудностями из-за нестабильности TRPM8. "Даже в течение одного дня транспортировки образцов из Дьюка в TSRI белковый комплекс начинал распадаться", — отметил аспирант Мэнью Ву. Лаборатория Ли стратегически добавила несколько стабилизирующих мутаций в белок, чтобы снизить его склонность к деградации.

Белок вёл себя иначе, чем большинство образцов, с которыми обычно работает лаборатория Ландера, и потребовалось более года, чтобы определить правильные условия для визуализации этой сложной биомолекулы.

"Нам пришлось выбросить учебник и переосмыслить обычный подход к решению такой структуры", — сказал Ландер.

Благодаря этим адаптациям исследователи смогли получить первое структурное изображение TRPM8 с общим разрешением около 4 Å (0,4 нанометра). Полученная атомная модель также содержала сюрпризы. "Другие группы строили гипотезы о структуре TRPM8 и его взаимодействии с партнерами, такими как ментол, но мы обнаружили, что практически все эти обоснованные предположения были довольно далеки от истины", — сказал Ландер. В частности, сайт связывания для ментола оказался в неожиданном месте, отличном от места связывания лиганда в других TRP-сенсорах.

"Эта структура говорит нам о том, что TRP-сенсоры работают не одинаково, и я ожидаю, что мы обнаружим много новых механизмов работы сенсоров по мере изучения большего количества структур TRP", — добавил Ландер.

TRPM8 представляет интерес для фармацевтической промышленности, в частности, из-за анальгетического, противовоспалительного эффекта при его активации. Кроме того, варианты его гена связаны с предрасположенностью к мигреням, и учёные показали, что манипуляции с TRPM8 могут вызывать у животных боль, похожую на мигрень.

"TRPM8 также аномально экспрессируется при некоторых видах рака простаты, молочной железы и других, что делает его потенциальной мишенью для химиотерапии", — сказал Ву.

Хотя TRPM8 наиболее известен как сенсор периферических нервов, обнаруживающий умеренно низкие температуры (ниже примерно 25°C) и такие молекулы, как ментол, он также обнаруживается во многих других нормальных тканях, даже глубоко внутри тела, и его функции в этих тканях остаются largely неясными. Детальное понимание структурного взаимодействия TRPM8 с его естественными партнёрами должно привести к созданию лучших молекулярных зондов, которые помогут учёным раскрыть его различные функции.

Лаборатории Ландера и Ли сейчас работают над тем, чтобы лучше понять, как TRPM8 взаимодействует с ментолом и другими терапевтическими молекулами-партнёрами.