网站地图 加入收藏 中文 English
 
首页 中心概况 组织机构 研究队伍 科学研究 人才培养 交流合作 支撑服务 人才招聘 下载专区 联系我们
当前位置:首页 - 科学研究 - 科研进展
科研进展

 

肖百龙课题组发文揭示哺乳动物感受暖温变化的新机制

 

  2019年1月4日, Cell Research期刊在线发表了生命中心PI肖百龙课题组撰写的《STIM1蛋白的温度敏感性决定小鼠进行温热感知的最适选择温度》(STIM1 thermosensitivity defines the optimal preference temperature for warm sensation in mice)的研究论文,报道了STIM1蛋白作为一类新型的温度受体参与暖温区间的温度感知,揭示了哺乳动物精准感知温热变化的分子细胞学机制。

  对于温度的有效感知是作为恒温动物的哺乳动物所具备的生物学本能。譬如我们人类不仅可以感受剧烈的高热和冷刺激,还能精准地感知正常情况下约33℃的中性皮肤表层温度附近的细微温度波动以维持体温平衡。那么这种冷暖自知的生物学行为的分子细胞学基础又是什么呢?科学家们致力于解答这一基本生物学问题。

  皮肤中分布有参与温度感受的特化的初级感觉神经元-背根神经节神经元,其神经末梢上表达有特定的温度受体。一般认为,当环境温度发生剧烈变化时,皮肤温度也会发生相应的改变,从而激活神经末梢上相应的温度受体,引起相应温度敏感神经元的兴奋并最终导致温度感知的形成。所以对温度感知研究的一个重点就是鉴定发现相关的温度分子受体。

  1997年美国的David Julius博士实验室率先鉴定发现了表达在初级感觉神经元中的第一个温度受体—一种可以被>43℃的高热所激活的TRPV1离子通道。随后被凉爽温度激活的TRPM8离子通道被鉴定发现,且被证实确实介导小鼠对凉爽温度感知的行为学表现。后续的研究进一步证明表达TRPV1与TRPM8的初级感觉神经元分别对应热敏感神经元和冷敏感神经元。如果在小鼠体内去掉这这两类神经元,会导致温度感知的完全丧失。非常有意思的是TRPV1还是辣椒中的辣味物质—辣椒素的受体,而TRPM8则是是薄荷中的凉爽物质—薄荷醇的受体,从而从分子受体水平解释了为什么我们吃辣椒时会有“火辣”的灼痛感,而吃薄荷糖时会有清凉的感觉。

  有别于对高热或冷刺激的感知,温热感受的是对偏离温度约33℃的中性皮肤表面温度的相对细微温度变化,那么分布在皮肤中的神经末梢是否能直接感受到皮肤表面1℃左右的细微变化值得怀疑。因此有推测更接近皮肤表面的角质细胞而非感觉神经元的神经末梢可能直接参与温热感受。与此相吻合,能被温热激活的TRPV3和TRPV4离子通道被发现主要表达在皮肤角质细胞,而非初级感觉神经元中。然而,TRPV3和TRPV4的敲除小鼠在行为学水平并未表现出显著的温热感知能力的缺陷。因此皮肤角质细胞是否直接参与温热感受并不确定,而且介导行为学水平温热感受的分子受体也有待发现证实。

  在最新发表的这篇研究论文中,他们发现表达在皮肤角质细胞、而非初级感觉神经细胞中的STIM1蛋白作为一类新型温度分子受体,并在行为水平影响小鼠对暖温区间的温热感知,证实了皮肤角质细胞直接参与温热感知的假说。

  STIM1蛋白是一类位于细胞内质网上的跨膜蛋白,其被广泛深入研究的一个重要功能是其作为内质网钙离子浓度感受器的功能。 STIM1与位于细胞膜上的钙离子通—Orai通道家族成员Orai1-3组成钙释放激活的钙通道[Calcium Release Activated Calcium (CRAC) channel],进而介导了钙库操纵性钙离子内流反应[Store Operated Calcium Entry (SOCE)],即当内置网内钙离子浓度下降,STIM1可以被激活并打开细胞膜上的Orai通道,促使细胞外的钙流入到细胞里面。STIM1/Orai介导的SOCE是一类普遍存在于各种非兴奋性细胞例如免疫T细胞中的一类重要的钙信号转导通路,具有非常重要的生理功能。确实,STIM1与Orai的功能失调或遗传突变会导致严重的免疫缺陷以及其它疾病。

  2011年肖百龙博士在 《自然—化学生物学》发表论文报导STIM1还可以作为一个新型温度受体,不依赖于其内质网钙离子浓度感受器的功能而直接被加热所激活。他们发现热激活STIM1可以引起Orai1所介导的钙内流,进而调控T细胞的基因表达。因此,STIM1/Orai1可能形成一类全新的新型温度敏感离子通道在细胞水平参与温度感知。然而STIM1蛋白是否可以作为一类新型温度受体直接参与哺乳动物行为水平的温度感知并不清楚。

  为了解答这一问题,肖百龙课题组通过构建细胞特异性的STIM1敲除小鼠以及特异缺失温度敏感性的STIM1敲入小鼠(丧失STIM1的温度敏感性,而维持其感受内质网钙离子浓度的功能),他们发现表达在皮肤表皮角质细胞中的STIM1依赖其自身温度敏感性,可以被热直接激活,进而与细胞膜上的Orai1和Orai3离子通道相耦合,从而引发上皮角质细胞中温度变化诱导的钙离子内流现象。

 

  STIM1依赖性的皮肤角质细胞的温度响应是否会参与小鼠的温度感知行为?他们通过设计一系列的温度选择行为范式, 非常有意思的发现皮肤角质细胞中的STIM1可以决定小鼠的最适选择温度。野生小鼠的最适选择温度为32℃,而皮肤角质细胞特异性STIM1敲除小鼠的最适温度改变为34℃ (图a)。而且特异性丧失其温度敏感性而保留其钙敏感性的STIM1敲入小鼠出现了与敲除小鼠类似的行为学表现,证实了STIM1参与温度感受行为确实依赖于其自身的温度敏感性。值得指出的是,这也是在所有已发现报导的温度受体研究中,首次从动物行为水平证明一个温度受体确实是利用是其本身的温度敏感性而非其所介导的其它功能来直接参与温度感受。这些实验结果有力佐证了STIM1作为一类在体温度受体参与小鼠在暖温区间的温热感知。

  小鼠又是如何利用STIM1这个温热受体来精准感知接近中性皮肤温度33℃附近的细微温热变化?肖百龙博士首次提出了哺乳动物利用其最适选择温度作为参比温度(set point)来精准控制外周温热感知的新假说:

1) 小鼠会选择接近其参比温度的温度从而确保对细微温度变化的精准感知。譬如让野生小鼠和STIM1皮肤角质细胞特异性敲除小鼠在32℃ 和34℃之间选择,野生小鼠会在2℃范围内选择有效选择32℃,而敲除小鼠会做出相反的选择,选择34℃(图b);

2) 而当让小鼠对等分偏离其参比温度的两个温度进行选择时,其不能有效区分这两个温度,从而赋予其更大的温度适应范围。譬如在32℃和36℃之间或30℃和38℃之间,野生小鼠会选择32℃或30℃(接近其参比温度32℃),而敲除小鼠不会选择(等分偏离其参比温度34℃)(图c)。

  皮肤角质细胞中的STIM1又是如何来决定其最适选择温度这一外周参比温度的?肖百龙课题组通过与美国约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的董欣中教授课题组合作,利用活体小鼠背根神经元钙成像技术,发现皮肤角质细胞中的STIM1可特异性影响下游初级感觉神经元对温热的响应,而且这一调控可能依赖于表达在背根神经元上的TRPA1通道作为信号传感通道。另外之前有研究提出皮肤角质细胞STIM1-背根神经元TRPA1这条信号通路可介导皮炎所引起的瘙痒反应。因此,这些实验证据不仅支持皮肤角质细胞与初级感觉神经元之间确实存在有效的信号传递机制,而且也为温热作为皮炎瘙痒的一个诱发因素提供了分子机制的解释。

  之前的研究提示温热感受可能取决于热敏感初级神经元和冷敏感初级神经元之间的平衡。热敏感神经元的激活可驱使行为学上的趋冷行为,而冷敏感神经元的激活则反之驱使行为学上的趋热行为。而当这两类神经元的活性在特定温度下达成平衡时,该温度就是其最适选择温度,也即其外周参比温度(图d)。皮肤角质细胞特异STIM1温度敏感性的缺失,引起热敏感神经元活性的降低,致使小鼠的趋冷行为减弱而趋热行为的相对增强,最终导致其最适选择温度即其外周参比温度往温热方向发生偏移(图d)。

  有趣的是,下丘脑体温调控中心利用37℃的正常体温作为参比温度来进行体温的精确调控。因此,皮肤角质细胞STIM1决定的外周温热感知的参比温度机制与中枢体温调控机制具有类似的工作机理。肖百龙博士认为这有利于确保哺乳动物维持体温平衡。

  生命中心PI肖百龙为本文的通讯作者,清华大学药学院博士生刘晓玲(2014级)、生命科学学院博士生王海平(2015级)、药学院博士生江艳(2015级)及美国约翰霍普金斯大学董欣中教授课题组博士后郑琴为本文共同第一作者,PTN项目博士生张明敏、美国Genomics Institute of the Novartis Research Foundation的Matt Petrus和Christian Schmedt博士也参与了该工作。本课题受到国家自然科学基金项目(31371118、31825014、31630090及31422027)、国家重点研发项目(2016YFA0500402及2015CB0102)、国家青年千人计划以及生命科学联合中心的大力资助。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41422-018-0129-0

 

 




版权所有 生命科学联合中心