TRPM1 的冷冻电镜结构揭示了具有反转跨膜域的非典型构象

在黑暗中看见

任何在黑暗房间摸索过的人都依赖于眼内一组微妙的分子来实现夜视。其中一种名为 TRPM1 的蛋白长期以来被认为是在视网膜神经细胞中充当微小门控结构，允许带电原子流动并传递微弱光线的信息。然而，科学家一直难以确切展示 TRPM1 的构建方式以及它是否真正可作为独立的离子通道工作。本研究将先进成像与细胞实验相结合，揭示了 TRPM1 的不寻常结构及其如何可能支持夜视。

夜视信号如何传递

夜视始于视网膜中的杆状光感受器检测到单个光子并将信息传递给邻近的双极细胞。在这些双极细胞内，一条信号链将名为 mGluR6 的麸氨酸受体与 TRPM1 连接起来。在明亮光线下，TRPM1 与持续的内向阳离子电流相关联，使这些细胞处于去极化状态。在黑暗中，mGluR6 的激活释放 G 蛋白亚基，关闭该电流，使细胞重新极化并终止信号。当 TRPM1 或其相互作用的蛋白因遗传突变受损时，这种光驱动的通讯会失败，导致完全性先天性稳定性夜盲——一种在昏暗光线下视力严重受损的疾病。

检验 TRPM1 是否是真正的通道

尽管 TRPM1 与其他 TRPM 家族离子通道高度相似，但长期以来其真实功能一直存在争议，因为在常规实验室细胞系中难以复现其电活动。作者首先构建了一种适合结构研究的大鼠 TRPM1，去除了不影响折叠的松散尾部区域。他们在经过工程改造、在钙进入时会发光的人类 HEK293 细胞中表达全长或截短的 TRPM1。当胞外加入钙时，表达 TRPM1 的细胞比对照细胞有更多细胞发光，并且其荧光强度显著增加。这些观察表明，TRPM1 单独即可在膜上产生钙离子穿过的通路，支持其作为真正离子通道的观点。

令人惊讶的通道形状

为了观察 TRPM1 的构造，研究组纯化了截短的蛋白并用冷冻电子显微镜成像，这种技术可以可视化被冰层快速冻结的单个粒子。TRPM1 的胞内部分形成了类似其他 TRPM 通道的熟悉的四重对称排列，强化了其作为四聚体通道的身份。令人惊讶的是跨膜部分。在这里，类电压感受区与孔区仍以结构域互换的方式排列，但与迄今研究过的相关离子通道相比，手性方向相反。这种反转布局迫使两条孔螺旋以较浅的角度弯曲和拉伸，形成一个类似宽阔开放孔的大中央空腔。

追踪通过孔的离子

TRPM1 跨膜域中放大的空腔在最窄处估计至少约一纳米宽，与其他 TRPM 通道处于活性状态时的开口相当。这支持了此前 TRPM1 倾向于构成既有开放状态的观点。为检验该假定孔是否确实运输钙，研究者在最窄点工程化引入了一处半胱氨酸，并应用一种会与暴露的半胱氨酸结合并增加体积的化学试剂。该处理仅在突变通道中强烈降低了钙依赖性荧光，表明阻断该位置会干扰离子穿透。结构与阻断实验共同表明，观察到的空腔就是 TRPM1 的功能性离子通道。

对药物反应与疾病的线索

由于 TRPM1 与已用多种小分子配体进行结构表征的 TRPM3 密切相关，作者比较了两者之间已知的结合口袋。位于类电压感受区的结合激动剂和抑制剂位点在 TRPM1 中高度保守，抑制剂 primidone 确实抑制了 TRPM1 依赖的钙流入。相反，一种在 TRPM3 的感受器与孔之间口袋中激活通道的类固醇，因 TRPM1 的反转构象无法容纳该口袋，因此未能增强 TRPM1 活性。团队还将人类夜盲相关的突变映射到结构上；大多数突变位于似乎稳定蛋白折叠或控制其在视网膜细胞中正确运输到位的区域。

这对夜视意味着什么

简而言之，这项工作表明 TRPM1 确实是一个离子通道，但其跨膜区域以一种出人意料的反转方式排列，仍然允许一个足够大的孔容许离子通过。这种不同寻常的形状或许解释了 TRPM1 与其同源蛋白行为差异以及对某些药物有反应而对其他药物无反应的原因。通过将 TRPM1 的三维结构与其携带钙的能力联系起来，该研究为理解遗传性夜盲提供了结构基础，并为探索这种特殊通道如何帮助我们的眼睛在最暗处看见奠定了依据。

引用: Fabrizio, M., Brewer, M., Bogdanović, N. et al. Cryo-EM structure of TRPM1 reveals a non-canonical architecture with an inverted transmembrane domain. Nat Commun 17, 4260 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70722-7

关键词: TRPM1, 离子通道, 夜间视力, 视网膜, 冷冻电镜