TRPV1通道的功能、门控...其调节剂在药物研发中的应用_魏鑫淼.pdf

Reviews and Monographs综述与专论生物化学与生物物理进展Progress in Biochemistry and Biophysics2023，50（3）：TRPV1通道的功能、门控机制及其调节剂在药物研发中的应用魏鑫淼1）杨启帆1）田家豪1）杨行1，2）潘里1）*丁俊杰1）*（1）国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205；2）四川轻化工大学物理与电子工程学院，自贡 643000）摘要 TRPV1（transient receptor potential vanilloid-1）是配体门控的非选择性阳离子通道，属于瞬时受体电位通道家族，能够被多种物理和化学刺激激活。TRPV1是药物研发的重要靶点之一，其异常刺激和表达与多种疾病的发病机制有关。一直以来，TRPV1因其调节剂优异的镇痛效果而备受关注。2021年诺贝尔生理学奖对温度和触觉感受器研究工作的认可，使TRPV1再一次成为关注的焦点。TRPV1已有20多年的研究基础，但是其门控机制和药物研发仍然是研究的难点。本文从TRPV1的生理功能、门控机制和药物发现的角度出发，综述了TRPV1的表达分布、功能特点和结构特征，重点阐述了3种门控机制及TRPV1调节剂在药物发现上的进展，并对未来的TRPV1药物进行展望。关键词 TRPV1通道，门控机制，调节剂，激动剂，拮抗剂中图分类号 Q71，R914DOI：10.16476/j.pibb.2022.0198TRPV1（transient receptor potential vanilloid-1）是哺乳动物中第一个被发现的TRPV亚家族成员，也是研究最广泛、最受关注的瞬时受体电位通道，又 称 为 辣 椒 素 受 体 和 香 草 酸 受 体（vanilloid receptor 1，VR1）。Caterina等1在1997年首次鉴定、克隆出TRPV1，发现其是重要的温度感受器，并由此获得了 2021 年诺贝尔生理学或医学奖。TRPV1是一种具有多种激活机制的非选择性阳离子通道，可被多种物理和化学刺激激活，如热（温度43）、质子（pH5.9）1、渗透压2、机械力3、内源性配体（N-花生四烯酰乙醇胺4、2-花生四烯基甘油4、5-脂氧合酶5、炎症介质6等）以 及 外 源 性 配 体（辣 椒 素1、树 脂 毒 素（resiniferatoxin，RTX）、姜辣素、胡椒碱、吴茱萸碱、动物毒素等7-10）。TRPV1存在于感觉神经元和一些非神经元细胞和组织中，与多种疾病的发病机制有关，如疼痛、炎症、心血管疾病、咳嗽、精神疾病和糖尿病等。其中，TRPV1在疼痛方面的研究最多，其激动剂和拮抗剂均可以产生镇痛作用。此外，TRPV1的强效激动剂如辣椒素，除了应用于镇痛药之外，还在海洋防污涂料、防蚁防鼠忌避剂、反恐防暴等领域起到重要的作用。然而，目前上市的TRPV1药物只有辣椒素的外用制剂。随着对TRPV1通道作用机制的深入研究，TRPV1通道可作为一种极好的药物治疗靶点，用于开发不同类型的镇痛药，同时也可以发展治疗心血管疾病、精神疾病和糖尿病等的新型药物。本文主要围绕TRPV1作用机制及其在药物研发中的应用，对TRPV1的表达分布、生理功能、结构特征、门控机制和调节剂在药物研发中的应用进行归纳总结，并对未来TRPV1调节剂的研究做出展望。1TRPV1的分布与生理功能TRPV1主要分布于周围神经系统的感觉神经元中，如背根神经节、三叉神经节和迷走神经节中的中小直径C纤维和部分A纤维11-12。此外，在中枢神经系统13以及心血管系统、肝脏、皮肤表 通讯联系人。丁俊杰 Tel：13671166693，E-mail：潘里 Tel：18610797349，E-mail：收稿日期：2022-04-29，接受日期：2022-08-10 422 2023；50（3）生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.皮、胃肠道上皮细胞、膀胱尿路上皮细胞和平滑肌细胞等非神经元组织和细胞中也有表达14。TRPV1具有多种生理功能，涉及多种生理和病理过程。在组织炎症和神经损伤的情况下，伤害感受器上的TRPV1被各种促炎因子和促痛因子敏化，通道开放的几率增加，引发疼痛过敏15。这种神经源性炎症与多种急性或慢性疼痛有关，如关节炎、肠易激综合征、胰腺炎、偏头痛和癌症疼痛16。TRPV1还参与了部分瘙痒通路，与瘙痒受体共同发挥作用17-18。由于C纤维在气管和支气管等呼吸系统的器官中大量存在，TRPV1也与咳嗽、呼吸困难等呼吸道疾病有关19。此外，TRPV1还与体温调节10、肥胖20、糖尿病20、心血管疾病21、胃肠道疾病22、神经精神疾病23等生理病理过程有密切联系。2TRPV1的结构与门控机制2.1TRPV1的结构TRPV1是由4个相同亚基组成的同源四聚体，每个亚基包括跨膜区域、胞内N端和胞内C端24。如图1、2所示，TRPV1通道的胞内N端由锚蛋白重复结构域（ankyrin repeat domain，ARD）、连接Fig.1The pattern of functional domain of TRPV1 channel in membrane图1TRPV1通道的功能域模式图S1S2 2S3S4S5S6孔螺旋ARDTurretS6S5孔螺旋(a)(b)(c)S1前螺旋连接子结构域TRP结构域C末端TRP结构域S1前螺旋S4-S5连接子折叠Fig.2The 3D structure of TRPV1 channel图2TRPV1的三维结构图用非灰白颜色来表示TRPV1通道的一个单体，（a-c）为局部细节图。（a）S1前螺旋的前一段结构为连接子结构域。（b）折叠片区由C端和N端ARD之前的一段结构构成。（c）S5、孔螺旋和S6的结构细节，其中S5与孔螺旋之间的虚线表示未被解析出来的长环（loop）结构，即中间图的turret。魏鑫淼，等：TRPV1通道的功能、门控机制及其调节剂在药物研发中的应用2023；50（3）423 子结构域（linker domain）和 S1 前螺旋（pre-S1 helix）组成。其中 ARD 有 6 个锚蛋白（ankyrin，ANK）重复序列（残基101364）。ATP与ARD结合使通道敏化，在辣椒素的作用下产生更大的电流25。TRPV1 的 胞 内 N 端 参 与 氧 化 应 激 反应26-27、敏化与脱敏过程25，28-31。TRPV1的C端包含TRP结构域和折叠片区24。TRP结构域靠近孔道，由30个残基组成，在亚基四聚化和通道功能中起到关键作用32-34。TRP盒是TRP结构域中一段由6个残基组成的高度保守片段，涉及刺激感知和通道的变构偶合32。其中，TRP 盒上的I696和W697是电压门控、辣椒素激活和热激活的关键残基，两个残基的突变显著降低了通道对刺激的敏感性35。TRPV1的跨膜区域包括6个跨膜螺旋S1S6，其中 S1S4 跨膜螺旋和 S4-S5 连接子是保守结构域。TRPV1通道的S1S4称为电压传感器样结构域（voltage sensor-like domain，VSLD）。S5、孔螺旋和S6螺旋形成了通道的中心孔道，S5和孔螺旋之间的loop区压盖在孔道的上方，称为turret36。香草酸结合口袋位于跨膜区域的下方，由S3、S4、S4-S5连接子和相邻亚基的S5和S6构成，是辣椒素、RTX、胡椒碱和姜辣素等香草酸化合物的结合位点，在不结合配体状态（apo）下通常与磷脂酰肌醇结合。2.2TRPV1的门控机制TRPV1 是多模态受体，可被香草酸衍生物、多肽毒素 DkTx（double-knot toxin）、质子以及热刺激激活，使Ca2+等阳离子通过通道进入细胞（图3）。通常认为TRPV1具有辣椒素、质子以及伤害热刺激3种激活模式37。辣椒素结合在香草酸结合口袋，质子作用于外孔区域，而伤害热刺激属于物理刺激，引起通道结构的整体变化。在apo状态下，中心孔道3处最窄点的残基为M644、G643和I67924，其中M644G643形成了选择性过滤器，为孔道细胞外侧最窄的位置；S6螺旋上的I679构成了通道的下门，为孔道细胞质侧最窄的位置24。为研究TRPV1从关闭到打开过程中结构的变化，一般使用 DkTx 和 RTX 稳定 TRPV1 的打开构象。DkTx结合在通道的外孔区域，常用来稳定外孔区域的打开构象；RTX结合在香草酸结合口袋，常用来稳定下门的打开。随着对门控机制的深入理解，TRPV1的不同激活模式之间存在一定的共性和联系，这是TRPV1变构偶联的特点。2.2.1香草酸类化合物激活的门控机制辣椒素作为香草酸类化合物的代表，其结合模式以及激活机制十分重要。早期的突变研究发现，与 辣 椒 素 结 合 的 重 要 残 基 有 S3 上 的 Y511 和S51238、S4 上的 M547 和 T55039。2013 年 Cao等40首次测定了结合辣椒素的TRPV1通道的冷冻电镜结构，然而由于辣椒素的密度过小，无法显示辣椒素的结合模式。Yang等41通过分子模拟与相Fig.3The activation of TRPV1 channel from closed state to open state图3TRPV1通道从关闭到打开的激活过程紫色的圆点为阳离子，TRPV1通道的下门由S6螺旋的I679决定，当TRPV1通道被配体结合或受到热刺激和酸刺激后，S6螺旋的下半部分以及上门扩张，通道由关闭状态转到打开状态。424 2023；50（3）生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.关实验验证，确定了辣椒素在香草酸结合口袋中“头朝下、尾朝上”的取向，即辣椒素的香草基头部向下指向S4-S5连接子，脂肪链尾部向上指向S4（图4）。模拟结果显示，辣椒素的尾部构象十分灵活，在香草酸结合口袋的疏水空腔中可采取多种构象，解释了冷冻电镜结构中缺乏清晰的尾部电子密度的现象。实验结果显示，辣椒素的结合依赖氢键和范德华力相互作用，辣椒素的尾部主要提供了范德华相互作用，而香草基头部的羟基和颈部酰胺基的羰基氧分别与 E570 和 T550 形成氢键。Yang等41根据模拟结果描述了辣椒素门控过程：辣椒素的尾部先与S4上半部分接触，形成范德华力相互作用，随后颈部与T550之间形成氢键相互作用，然后辣椒素的头部羟基与E570之间形成氢键相互作用，头部甲基与连接体之间形成范德华力相互作用，稳定S4-S5连接子的向外构象，最后S4-S5连接子的移动带动了S6的移动。另外，他们还通过内插弹性网络建模观察到门控过程中与尾部相互作用的残基先移动，最后是S6下门的打开和Y511的移动。然而，Kwon等36的辣椒素复合物冷冻电镜结构并未显示出T550与颈部有相互作用的存在，认为T550的作用为构象波的传递。除了辣椒素外，也有研究报道胡椒碱42、姜刺激化合物43（图4）以及内源性大麻素44的结合模式。通过对比辣椒素的结合模式发现，香草酸类化合物呈现出相似的结合模式。但是胡椒碱与辣Fig.4Molecular structure of TRPV1 agonists图4TRPV1代表性激动剂的分子结构魏鑫淼，等：TRPV1通道的功能、门控机制及其调节剂在药物研发中的应用2023；50（3）425 椒素的结构差异导致其与T550和E570均未形成稳定结合的氢键。Dong等42的计算和功能研究表明，胡椒碱可能跳过了S4-S5连接子，直接与S6上的T670相互作用从而控制通道的打开。姜主要有姜烯酚（6-shogaol）、姜辣素（6-gingerol）和姜油酮（zingerone）3种刺激性物质，Yin等43的分子模拟研究表明这3种化合物采取与辣椒素一样的“头朝下、尾朝上”结合模式，此外姜油酮还存在一种水平的结合构象，与胡椒碱一样直接与S6上的T670形成相互作用。Yin等43表明，这3种化合物的亲和力与脂肪链尾部的长度具有较强的线性关系，无脂肪链尾部的姜油酮结合力最差。然而这种线性关系仅限于一定的碳原子数目范围内，