Οι επιστήμονες οπτικοποίησαν, για πρώτη φορά, πώς μια βασική αισθητήρια πρωτεΐνη ανιχνεύει τόσο τις χαμηλές θερμοκρασίες όσο και τις ψυκτικές ενώσεις, όπως η μενθόλη.
Το να βγαίνετε στον κρύο αέρα ή να δοκιμάζετε μια μέντα ενεργοποιεί έναν εξειδικευμένο αισθητήρα στο σώμα σας, ο οποίος στέλνει σήμα στον εγκέφαλο ότι κάτι έχει ψυχρή αίσθηση.
Οι ερευνητές έχουν εξασφαλίσει τις πρώτες εικόνες υψηλής ανάλυσης που δείχνουν πώς λειτουργεί αυτός ο αισθητήρας, αποκαλύπτοντας τον τρόπο με τον οποίο ανταποκρίνεται τόσο στις χαμηλές θερμοκρασίες όσο και στη μενθόλη, την ψυκτική ένωση που βρίσκεται στα φυτά της μέντας.
Τα ευρήματα παρουσιάστηκαν πρόσφατα στο 70ό Ετήσιο Συνέδριο της Βιοφυσικής Εταιρείας (Biophysical Society) στο Σαν Φρανσίσκο.
Το TRPM8 – το “κλειδί” της μελέτης
Η έρευνα εστιάζεται στο TRPM8, ένα πρωτεϊνικό κανάλι που ανιχνεύει συνθήκες ψύχους. «Φανταστείτε το TRPM8 σαν ένα μικροσκοπικό θερμόμετρο μέσα στο σώμα σας», δήλωσε ο Hyuk-Joon Lee, μεταδιδακτορικός ερευνητής από το εργαστήριο του Seok-Yong Lee στο Πανεπιστήμιο Duke. «Είναι ο κύριος αισθητήρας που λέει στον εγκέφαλό σας πότε κάνει κρύο. Γνωρίζαμε εδώ και πολύ καιρό ότι αυτό συμβαίνει, αλλά δεν ξέραμε το πώς. Τώρα μπορούμε να το δούμε».
Το TRPM8 εντοπίζεται στις μεμβράνες των αισθητήριων νευρικών κυττάρων που εξυπηρετούν το δέρμα, το στόμα και τα μάτια.
Όταν η θερμοκρασία πέφτει περίπου μεταξύ 8°C και 28°C, ο δίαυλος ανοίγει και επιτρέπει σε φορτισμένα σωματίδια, γνωστά ως ιόντα, να εισέλθουν στο κύτταρο. Αυτή η κίνηση των ιόντων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό σήμα που ταξιδεύει στον εγκέφαλο, όπου και ερμηνεύεται ως αίσθηση ψύχους.
Η ίδια οδός εξηγεί γιατί η μενθόλη, ο ευκάλυπτος και παρόμοιες ουσίες δημιουργούν μια αίσθηση δροσιάς, ακόμη και όταν η θερμοκρασία δεν αλλάζει.
Πηγή: Hyuk-Joon Lee
Πώς ερμηνεύει το σώμα την παγωμένη αίσθηση
«Η μενθόλη είναι σαν τέχνασμα», εξήγησε ο Lee. «Προσκολλάται σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του διαύλου και προκαλεί το άνοιγμά του, ακριβώς όπως θα έκανε η χαμηλή θερμοκρασία. Έτσι, παρόλο που η μενθόλη δεν παγώνει στην πραγματικότητα τίποτα, το σώμα σας λαμβάνει το ίδιο σήμα σαν να άγγιζε πάγο».
Οπτικοποίηση του Διαύλου εν Δράσει
Για να κατανοήσει η ομάδα πώς το TRPM8 αλλάζει σχήμα κατά την ενεργοποίηση, χρησιμοποίησε την κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία (cryo-electron microscopy), μια μέθοδο που απεικονίζει ταχύτατα κατεψυγμένες πρωτεΐνες με τη χρήση δέσμης ηλεκτρονίων.
Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να καταγράψουν μια σειρά δομικών καταστάσεων καθώς ο δίαυλος μετέπιπτε από την κλειστή στην ανοιχτή θέση. Η ανάλυσή τους έδειξε ότι το ψύχος και η μενθόλη ενεργοποιούν τον TRPM8 μέσω αλληλοκαλυπτόμενων αλλά διακριτών εσωτερικών οδών.
Η έκθεση στο ψύχος μεταβάλλει κυρίως την περιοχή του πόρου, η οποία είναι το τμήμα του διαύλου που ανοίγει για να επιτρέψει τη διέλευση των ιόντων. Η μενθόλη προσδένεται σε μια ξεχωριστή θέση πάνω στην πρωτεΐνη και προκαλεί δομικές αλλαγές που εξαπλώνονται σε όλο το μόριο μέχρι να ανοίξει ο πόρος.
«Όταν το ψύχος συνδυάζεται με τη μενθόλη, η απόκριση ενισχύεται συνεργιστικά», δήλωσε ο Lee. «Χρησιμοποιήσαμε αυτόν τον συνδυασμό για να απαθανατίσουμε τον δίαυλο στην ανοιχτή του κατάσταση — κάτι που δεν είχε επιτευχθεί μόνο με το ψύχος».
Ιατρική σημασία και ένα «σημείο ψύχους»
Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του TRPM8 θα μπορούσε να έχει σημαντικές κλινικές προεκτάσεις. Προβλήματα με αυτόν τον δίαυλο έχουν συσχετιστεί με τον χρόνιο πόνο, τις ημικρανίες, την ξηροφθαλμία και ορισμένες μορφές καρκίνου.
Ένα φάρμακο που στοχεύει στον TRPM8, το acoltremon, είναι ένα εγκεκριμένο από τον FDA οφθαλμικό κολλύριο που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία της ξηροφθαλμίας. Ως ανάλογο της μενθόλης, ενεργοποιεί την οδό ψύξης για να ενισχύσει την παραγωγή δακρύων και να ανακουφίσει από τον ερεθισμό.
Οι επιστήμονες εντόπισαν επίσης αυτό που περιγράφουν ως «σημείο ψύχους» (cold spot), μια συγκεκριμένη περιοχή της πρωτεΐνης που παίζει κεντρικό ρόλο στην ανίχνευση της θερμοκρασίας.
Αυτή η περιοχή φαίνεται να βοηθά τον δίαυλο να παραμένει σε εγρήγορση κατά την παρατεταμένη έκθεση στο κρύο, εμποδίζοντας την απευαισθητοποίησή του. «Προηγουμένως, δεν ήταν σαφές πώς το ψύχος ενεργοποιεί αυτόν τον δίαυλο σε δομικό επίπεδο», δήλωσε ο Lee.
«Τώρα μπορούμε να δούμε ότι το ψύχος πυροδοτεί συγκεκριμένες δομικές αλλαγές στην περιοχή του πόρου. Αυτό μας προσφέρει μια βάση για την ανάπτυξη νέων θεραπειών που στοχεύουν σε αυτή την οδό».
Αποκαλύπτοντας πώς οι μεταβολές της θερμοκρασίας και οι ψυκτικές χημικές ουσίες συγκλίνουν στον ίδιο μοριακό αισθητήρα, η μελέτη παρέχει την πρώτη λεπτομερή δομική εξήγηση για το πώς το σώμα ανιχνεύει την ψυχρότητα.
Τα αποτελέσματα επιλύουν ένα μακροχρόνιο μυστήριο της αισθητήριας βιολογίας και ενδέχεται να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη ακριβέστερων θεραπειών που στοχεύουν σε αυτή την οδό.