과학자들은 열과 통증을 감지하는 이온 채널 수용체에서 "자살" 메커니즘을 발견했습니다. 열과 통증을 정확하게 감지하는 능력은 인간의 생존에 매우 중요합니다. 그러나 우리 몸이 이러한 위험을 인식하는 방법 뒤에 있는 분자 메커니즘은 오랫동안 과학자들에게 미스터리였습니다.

이제 버팔로 대학교(University at Buffalo) 연구자들은 이러한 중요한 기능을 구동하는 복잡한 생물학적 현상을 발견했습니다. 최근 Proceedings of the National Academy of Sciences에 발표된 그들의 연구는 온도와 통증에 대한 민감성의 복잡한 메커니즘을 설명하면서 이온 채널 수용체에서 이전에 알려지지 않았고 완전히 예상치 못한 "자살" 반응을 밝혔습니다. 이 연구는 보다 효과적인 진통제를 개발하는 데 사용될 수 있습니다.

"우리가 고온에 민감한 이유는 명백합니다. 우리 몸이 위험에 처할 때 경고를 받을 수 있도록 차가운 것과 뜨거운 것을 구별해야 합니다."라고 이번 연구의 교신저자이자 컬럼비아 대학교 제이콥스 의과대학 및 생명의학부 생리학 및 생물물리학 교수인 Qin Feng 박사는 말했습니다.

그러므로 온도에 대한 민감성과 통증을 분리하는 것은 불가능합니다.

Qin은 "온도를 감지하는 수용체는 유해한 열과 같은 통증 신호의 전도도 중재합니다. 따라서 이러한 온도 감지 수용체는 통증 치료의 가장 중요한 표적 중 하나이기도 합니다. 작동 방식을 이해하는 것은 부작용이 적은 차세대 새로운 진통제를 설계하는 첫 번째 단계입니다."라고 말했습니다.

컬럼비아 대학교 연구진은 TRP(일과성 수용체 전위) 채널이라고 불리는 이온 채널 계열, 특히 고추의 매운 성분인 캡사이신에 의해 활성화되는 수용체인 TRPV1에 중점을 두었습니다. 이들은 피부의 말초 신경 말단에 위치한 피부 수용체입니다.

그러나 이러한 수용체의 열감수성을 입증하는 것은 어려운 일이었습니다. 진은 단백질이 열을 흡수하여 이를 엔탈피 변화라고 불리는 에너지 형태로 변환한다고 설명했는데, 이는 단백질 구조의 변화와 관련이 있습니다. 수용기의 온도 민감도가 클수록 엔탈피 변화도 커져야 합니다.

그와 그의 동료들은 이전에 온도 센서의 활성화를 실시간으로 감지하기 위한 초고속 온도 클램프를 개발했습니다. 연구자들은 그 활성화 에너지가 다른 수용체 단백질보다 거의 한 자릿수 더 큰 것으로 추정합니다. 그런 다음 그들은 열수용체의 열 흡수를 직접 측정하기로 결정했는데, 이는 새로운 방법의 개발과 비싸고 정교한 장비의 구입이 필요했기 때문에 "어려운" 작업이었습니다.

원자폭탄을 터뜨리는 것처럼

TRPV1 수용체를 프로토타입으로 사용하여 그들은 열이 이 수용체에서 엄청난 규모로 강력하고 복잡한 열 전이를 유도할 수 있음을 발견했습니다. 이는 단백질 내부에 원자폭탄을 터뜨리는 것과 같습니다.

연구원들은 또한 수용체의 이러한 극적인 열 전이가 단 한 번만 발생한다는 것을 발견했습니다. "우리는 고온 감도를 달성하기 위해 이온 채널이 기능 상태에서 극단적인 구조적 변화를 겪어야 하며 이러한 극단적인 변화가 단백질의 안정성을 손상시킨다는 것을 발견했습니다."라고 Qin은 설명합니다. "이 놀랍고 색다른 발견은 채널이 열린 후 되돌릴 수 없게 접힌다는 것을 의미합니다. 즉, 자살을 의미합니다."

이번 발견을 더욱 주목하게 만드는 것은 온도 수용체가 특히 감지할 수 있는 온도 범위 내에서 활성화될 때 온도 수용체가 더 열적으로 안정적이어야 한다는 기존의 기대를 무시한다는 것입니다. 새로운 발견은 거의 모든 다른 유형의 수용체에서 발생하는 이러한 기대와 가역성 개념을 무시합니다.

한 가지 가능한 설명은 물리적 원리와 생물학적 요구 사이의 딜레마입니다. 그는 "생물학적 요구, 즉 온도에 대한 수용체의 강한 민감성은 단백질의 가역적 구조 변화가 제공할 수 있는 것보다 더 큰 에너지를 필요로 합니다. 따라서 수용체는 에너지 요구를 충족하기 위해 비전통적인 자기 파괴 수단에 의존해야 합니다. 온도 수용체가 일반적으로 생리학적 기능에 파괴적인 것으로 간주되는 과정을 사용하여 단백질 전개를 유리하게 전환할 수 있다는 것은 놀랍습니다."라고 말했습니다.

이전 이온 채널을 대체하기 위해 새로운 이온 채널이 형성될 것인지 여부는 Qin과 그의 동료들이 다음에 연구할 계획 중 하나입니다. 그는 뉴런이 예상치 못한 방식으로 손상된 이온 채널을 감지하고 "구출"하거나 새로 합성된 이온 채널을 보충하는 것도 가능하다고 말합니다.

"수용체에 의해 감지된 고온이 조직 손상을 일으킬 수 있기 때문에 신체는 어쨌든 조직이 재생되어야 하기 때문에 파괴된 이온 채널의 운명에 신경 쓰지 않을 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다"라고 Qin은 추측합니다. "이것은 고온 민감도에 대한 채널의 요구를 가장 잘 충족시키기 위해 자연적으로 고안된 '영리한' 전략일 수 있습니다."

참고 자료: Andrew Mugo, Ryan Chou, Felix Chin, Beiying Liu, Qiu-XingJiang 및 Feng Qin은 2023년 8월 28일 국립과학원 회보에 게재되었습니다: "TRPV1 온도 민감도의 자살 메커니즘."

DOI:10.1073/pnas.2300305120

컴파일된 소스: ScitechDaily