新闻网讯（通讯员盛源）4月22日，《美国科学院院报》（PNAS）在线刊发了武汉大学生命科学学院教授姚镜课题组的最新研究进展，论文题目为“Identification of an arthropod molecular target for plant-derived natural repellents”（《在节肢动物中解析了植物源驱虫剂的分子靶标》）。
生命科学学院博士研究生田泉、王培宇和高级实验师谢畅为论文共同第一作者，博士研究生庞培源、张由婧、高悦、张传庚、胡娟和硕士研究生李欣欣等参与研究，姚镜为通讯作者。此外，武汉大学生命科学学院教授李文鑫、吴英亮、曹志贱，法国国家健康与医学研究院研究员李栋栋和美国德克萨斯大学休斯顿健康科学中心教授Michael X. Zhu参与了该项研究。果蝇相关研究得到了武汉大学医学研究院教授宋威和华中科技大学教授张珞颖的帮助。
瞬时受体势（Transient Receptor Potential, TRP）通道在化学及物理信息感知、中枢信息处理等过程中发挥重要功能。作为感觉系统先驱的TRP通道，在进化中相当保守，从低等微生物到高等脊椎动物体中均广泛存在。节肢动物诞生于五亿多年前的寒武纪大爆发时期，构成了如今动物界种类最多的一个门类。它们参与生态平衡的维持，与人类生产、生活关系密切，但同时也是疾病传播的载体。植物在长期进化过程中与节肢动物建立了不可分割的关系，比如植物借助节肢动物进行传花授粉，同时植物也会产生一些天然化合物来防御某些节肢类天敌。现今，从植物中分离提取的天然化合物提供了一种环保且有效的驱虫策略，但其在节肢动物中的直接分子靶点仍待进一步阐明。
被誉为“活化石”的蝎子（scorpion）有着4亿4千万年的进化史，在地球上广泛分布，历经各种极端环境变迁而存续了下来。为探究TRP通道介导的应激响应在蝎子对环境适应中的贡献，课题组选取了在我国广泛分布的东亚钳蝎（Mesobuthus martensii）为研究对象，通过建立新的行为学模式（图1A），探究了不同驱虫药物对蝎子行为的影响。结果发现蝎子对从香茅中提取的天然驱虫剂‘香茅醛’和‘香茅醇’表现出较强的规避反应（图1B）。进一步，研究人员成功分离了蝎子的外周感觉神经元并进行了药物刺激下的电生理记录，结果发现这两种化合物均能强力激活神经元，且此激活效应能被TRP通道的广谱抑制剂所抑制（图1C-G）。通过调研，李文鑫等成功建立的东亚钳蝎基因组和转录组数据库，利用TRP通道蛋白的保守结构域，结合基因组筛选及膜片钳电生理实验，研究人员首次克隆并鉴定了一个表达于东亚钳蝎中的瞬时受体势电位通道，命名为sTRP1。进一步研究发现，该通道能够被外源表达在HEK293细胞中，并和蝎外周神经元一样能够有效响应天然驱虫剂的刺激（图1H-J）。
图1. 天然驱虫剂香茅醛和香茅醇靶向激活蝎子sTRP1通道，进而介导蝎子的规避反应
为进一步明确sTRP1通道介导的化学感受在蝎规避行为中的作用，研究人员通过基因进化树分析和蛋白序列比对发现表达在黑腹果蝇中的trp基因与strp1基因具有较高相似性（图2A）。先前的研究结果显示果蝇的TRP作为dTRPL通道的配体亚基在果蝇视觉光感受中发挥作用，随后的研究则表明dTRP还定位于果蝇腿关节部位参与调控果蝇的精细运动。利用sTRP1通道的激动剂，研究人员深入开展了针对dTRP的电生理研究，结果表明trp基因所编码的蛋白也是一种离子通道，响应天然驱虫剂香茅醛和香茅醇的刺激（图2B-D）。在果蝇中开展了气体接触趋避实验（Direct airborne repellent test, DART），结果显示野生型果蝇对天然驱虫剂香茅醛和香茅醇刺激表现出强烈的规避行为，而将果蝇中所表达的13种不同的trp基因逐个敲除，唯有trp基因缺失的果蝇失去了对天然驱虫剂的规避反应（图2E），表明dTRP通道亦是一种化学感受器，参与果蝇对环境的适应性调节。
图2. 作为蝎trp1同源基因的果蝇trp亦编码为功能性的离子通道，介导天然驱虫剂香茅醛和香茅醇的刺激，诱发果蝇规避避反应
姚镜课题组对TRP通道调控及其在健康与疾病中的意义进行了系统研究。近年来，在深入解析TRP通道的门控机制与功能调控机理的基础上（PNAS,2019;J. Biol. Chem.2020;Front. Cell Dev. Biol., 2021），揭示了其在生理病理过程中的关键作用（Nat Commun., 2018；FASEB J.,2020；eLife,2021;BMC Biol., 2022）。本项研究则揭示了瞬时受体势通道sTRP1/dTRP作为天然驱虫剂的分子靶标，参与介导节肢动物对环境的适应性调节，扩展了对TRP通道在跨物种尺度上的功能性理解。
该研究工作得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等的项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2118152119
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