Receptory zimna bez tajemnic [BADANIA]

Zdolność odczuwania ciepła, zimna, czy dotyku stanowi podstawę interakcji człowieka z otaczającym światem. Kluczową rolę w percepcji temperatury odgrywają białka z rodziny TRP (Transient Receptor Potential), tworzące kanały jonowe, które są pustymi strukturami umożliwiającymi kontrolowany przepływ wybranych jonów przez błonę komórkową.

Aktywacja tych kanałów powoduje wyrównanie stężeń jonów wewnątrz i na zewnątrz komórki nerwowej, co generuje impuls nerwowy niosący informację o wykrytym bodźcu. Badania nad receptorami temperatury i dotyku, w tym białkami TRPM8, prowadzili David Julius oraz Ardem Patapoutian, którzy za „odkrycie receptorów temperatury i dotyku” zostali uhonorowani Nagrodą Nobla z dziedziny medycyny (2021 r.).

Polsko-włoskie prace badawcze

Naukowcy z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie (IIMCB) pod kierownictwem prof. Marcina Nowotnego, we współpracy z włoskimi badaczami pod kierownictwem dr. Carmine Talarico z Dompé Farmaceutici SpA, określili strukturę ludzkiego białka TRPM8 i stworzyli model jego wiązania z iciliną, związkiem 200 razy skuteczniejszym niż mentol w aktywacji kanału jonowego TRPM8.

– Wiemy, że niektóre związki chemiczne stymulują nasze receptory. Na przykład mentol w mięcie pieprzowej aktywuje receptory zimna TRPM8, stąd uczucie chłodzenia podczas jedzenia miętówek – wyjaśnia dr Mariusz Czarnocki-Cieciura z Laboratorium Struktury Białka w MIBMiK w Warszawie. – Jednak stymulacja tych termoreceptorów wiąże się również z percepcją bólu, a nasycenie ich działania poprzez przedłużoną ekspozycję na zimno lub mentol może zmniejszyć odczuwanie bólu. Dlatego szczegółowe zrozumienie funkcji termoreceptorów ma ogromne znaczenie i może ostatecznie doprowadzić do opracowania terapii chorób związanych z tymi kanałami jonowymi. Należą do nich ból neuropatyczny, zespół jelita drażliwego, dysfagia gardłowo-ustna, przewlekły kaszel i nadciśnienie – dodaje dr Czarnocki-Cieciura.

Technologia kriomikroskopii elektronowej

Aby zrozumieć mechanizm działania konkretnego białka, należy zbadać jego strukturę, sposób składania się łańcucha polipeptydowego w przestrzeni. Kanały jonowe są jednak trudnymi obiektami badań dla biologów strukturalnych. Ze względu na trudności w uzyskaniu ludzkiego białka TRPM8, pierwsze badania strukturalne tego kanału jonowego przeprowadzono na białkach ptaków (2018 r.) i na białkach myszy (2022 r.).

Istotną rolę w badaniach odegrała kriomikroskopia elektronowa (cryo-EM), która polega na wizualizacji cząsteczek za pomocą mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości w ekstremalnie niskich temperaturach. Metoda ta umożliwiła odkrycie struktury wielu białek błonowych, w tym licznych kanałów jonowych z rodziny TRP.

– To właśnie ta technologia została wykorzystana w naszych badaniach – zaznaczył dr Czarnocki-Cieciura z IIMCB. – Dzięki wykorzystaniu mikroskopu elektronowego KRIOS w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie udało się nam zwizualizować poszczególne cząsteczki tego kanału jonowego i precyzyjnie określić jego strukturę.

Rola sztucznej inteligencji w badaniach

W badaniach wykorzystano również algorytm sztucznej inteligencji AlphaFold opracowany przez Google DeepMind.

– Metody modelowania oparte na sztucznej inteligencji zrewolucjonizowały biologię strukturalną. Pozwalają na przewidywanie struktur białek za pomocą komputerów, ale należy podkreślić, że nie zastępują kosztownych i czasochłonnych badań eksperymentalnych. Są jednak doskonałym uzupełnieniem – pomagają formułować nowe hipotezy i wspomagają interpretację wyników, znacznie przyspieszając niektóre etapy badań – wyjaśnia prof. Marcin Nowotny, kierownik Laboratorium Struktury Białka w IIMCB.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Communications Biology (Nature Press). Artykuł naukowy dostępny jest pod poniższym linkiem: Struktura ludzkiego kanału TRPM8 | Communications Biology

(Źródło: Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, IIMCB)