TRPM8

Mööduva retseptorpotentsiaaliga katioonkanal, M-alaperekonna liige 8 (inglise Transient receptor potential cation channel subfamily M member 8 ehk TRPM8) on ioonkanali mööduva retseptorpotentsiaaliga katioonkanali (TRP) perekonna liige, millel on palju funktsioone nii selgroogsetes kui ka selgrootutes. TRPM8 on mitteselektiivne, pingest moduleeritud juhtivusega ioonkanal. Kanal on ekspresseeritud väikese diameetriga primaarsetes sensoorsetes neuronites ning oletatavalt talitleb kui temperatuuritundlik retseptor. Arvatakse, et TRPM8 on lisaks tundlik androgeenile ehk meessuguhormoonile, sest on ekspresseeritud eesnäärme epiteelis. TRPM8 geen on 3312 nukleotiidi pikk, millelt omakorda sünteesitakse 1104 aminohappest koosnev valk, molekulmassiga 128 kDa. Inimese TRPM8-l on hiire ja rotiga ortolooge vastavalt 92% ja 93% ulatuses. TRPM8-l on kuus transmembraanset domeeni tsütoplasmaatilise C- ja N-terminusega. Neljast subühikust moodustatakse funktsionaalne homotetrameerne kanal. Esimesed neli transmembraani osa (S1-S4) moodustavad pinge sensori mooduli, mis koosneb mentooli ja 1-(2-hüdroksüfenüül)-4-(3-nitrofenüül)-3,6-dihüdropürimidiin-2-ooni sidumiskohtadest. S2-s paikneb mentooli äratundmise ala ning S3-s paikneb 1-(2-hüdroksüfenüül)-4-(3-nitrofenüül)-3,6-dihüdropürimidiin-2-ooni oma. Viimased kaks transmembraanset domeeni (S5 ja S6) ja silmusstruktuur moodustavad poori mooduli, mis on mitte-selektiivne katioonkanal ja moodustab kõrgelt konserveerunud hüdrofoobse ala. C-terminaalne domeen, mis on seotud fosfatidüülinositool-4,5-bifosfaadi (PIP2) sidumisalaga ja annab TRPM8-le temperatuuritundlikkuse, on tetrameerses stabilisatsioonis. Mutatsioonid selles alas vähendavad TRPM8 monomeeri võimet moodustada oligomeerset kanalit. Kanal aktiveeritakse temperatuurivahemikus 8–25 °C, aga seda võivad aktiveerida ka jahutavad kemikaalid, nagu mentool ja 1-(2-hüdroksüfenüül)-4-(3-nitrofenüül)-3,6-dihüdropürimidiin-2-oon, mis indutseerivad psühhofüüsikaalset külmatunnetust. Brauchi töögrupi katsetes vahetati TRPM8 ja mööduva retseptorpotentsiaaliga katiooni kanali, V alaperekonna esimese liikme (TRPV1) kanali C-terminaalsed domeenid. TRPV1 aktiveerub kõrge temperatuur või kapsaitsiiniga, mida leidub näiteks tšillipipras. Domeenide vahetus põhjustas TRPM8 aktivatsiooni kõrgel temperatuuril ja TRPV1 aktivatsiooni vastavalt madalal temperatuuril. Seega on temperatuuri tundlikkuse domeen modulaarne ja paikneb mõlema kanali C-terminaalses domeenis. Sarnased katsed on näidanud, et C-terminaalne domeen on vastutav ka TRPM8 aktivatsiooni eest PIP2 poolt. TRPM8 kanal koosneb ühest teadaolevast glükosülatsiooni alast, mis asub S5 ja S6 poori silmuses. Kuigi mutatsioonid selles alas põhjustavad glükosülatsiooni kadumise, siis see ei mõjuta kanali ekspressiooni, moodustumist, transporti ega aktivatsiooni erinevate agonistide poolt. Kui muteerida kaks tsüsteiini jääki (Cys929 ja Cys940) glükosülatiooni ala külgedelt, kaotab kanal funktsiooni ja tetrameeri asemel moodustub dimeer. TRPM8 kanaleid on leitud 12% ulatuses väikese diameetriga seljanärvi dorsaaljuure ja kolmiknärvi sensoorsetes neuronites. Oskus tunnetada keskkonna temperatuuri on oluline kõikidele hulkraksetele. TRP katioonikanalid omavad olulist rolli ümbritseva temperatuuri tunnetamisel nii selgroogsetes kui ka selgrootutes organismides. Genoomijärjestuste uuringud näitavad, et TRPM8 leidub laialdaselt hulkraksetes, kaasa arvatud need, kes ei oma püsivat kehatemperatuuri nagu kõigusoojased ja kelle ökoloogiline temperatuurivahemik erineb suuresti püsisoojaste imetajate omast. Võimalik, et kõigusoojaste sensoorsed neuronid reageerivad optimaalselt temperatuurivahemikule, kus nad elavad. TRPM8 termoaktivatsiooni omaduste muutumine hulkraksete evolutsioonis on reguleerinud külmatundlikud neuronid temperatuurivahemikule, mis on organismi ökoloogilises nišis kõige tähtsamad. Kannuskonn (Xenopus laevis) on kahepaikne, kes elab Lõuna-Aafrika tiikides ja järvedes, mistõttu tema keha sisetemperatuuri vahemik on tunduvalt madalam kui imetajatel. Arvatakse, et temperatuuritundliku TRP kanali omadused on tugeva evolutsioonilise surve all, et tundlikkus vastaks füsioloogiliselt olulistele temperatuurivahemikele. Koertes aktiveerib külm ja mentool niinimetatud külma retseptorid kõri närvides ja surub alla hingamisfunktsioonid. Lisaks tõstab mentool rakusisest kaltsiumi ja stimuleerib Ca2+ sõltuvat Cl- sekretsiooni koerte hingetoru epiteelis. Arvatakse, et koerte ioonkanali molekulaarsus ja funktsionaalsus sarnanevad teiste imetaja liikide TRPM8-ga. Koerad, kelle kehatemperatuur ületab 38 °C, omavad TRPM8 varianti, mis aktiveerub 17 °C juures, viidates sellele, et TRPM8 aktivatsioon on keerulisem, kui üldiselt arvatud. Süstemaatiline 1-(2-hüdroksüfenüül)-4-(3-nitrofenüül)-3,6-dihüdropürimidiin-2-ooni manustamine põhjustab doosist sõltuva ülekuumenemise, mis algab väljaspool aju, ning ka autosomaalseid ja aktiivseid termoregulatoorseid käitumisi. Mentooli manustamine makku või akuutselt ning eksponeerimine külmale põhjustab kehatemperatuuri tõusu ja aktiveerib termogeneetilised mehhanismid. TRPM8 võib osaleda üleüldises veresoonte toonuse ja laienemise regulatsioonis, mis omakorda mõjutab kehatemperatuuri ja vereringet. Täpset mehhanismi, kuidas TRPM8 termoregulatsiooniga seotud on, ei ole veel teada. Ülemistes hingamisteedes soojendatakse sissehingatud külm õhk soojusvahetuse kaudu peaaegu kehatemperatuurini. Peamiselt toimub see ninas enne kui õhk siseneb bronhopulmonaalsesse süsteemi. Soojusvahetus on häiritud gripi, allergia või mõne teise hingamisteede haiguse tõttu. Hingamisteed reageerivad külmale õhule refleksiivselt köha, hingamisteede ahenemise ja lima eritumisega. Need omavad kaitsvat ülesannet bronhopulmonaalses koes. Bronhopulmonaalne kude on varustatud uitnärvi aferentsete neuronitega, milles on TRPM8 retseptorite ekspressioon, mida saab aktiveerida külmaga. Uitnärvi aferentsete närvide kaudu on vahendatud hingamisteede ahenemine ja astma, mis tekib külma õhu sissehingamisel. Keskkonnast tingitud külma temperatuuri tunnetamine autonoomsete närvidega ja edasine autonoomne refleks võib omada olulist rolli hingamisteede regulatsiooni vastuses. Huvitav on probleem, kas TRPM8 retseptorid on seotud külmast põhjustatud astmaga ja selle ägenemisega. Kui see patoloogiline funktsioon osutub tõeseks, võib see olla väga oluline kliiniliselt. Mentooli- või piparmündiõli aurude sissehingamine võib põhjustada hingamisteede ahenemist ja osades inimestes astmat. Madalaid mentooli kontsentratsioone kasutatakse selleks, et suruda alla hingamisteede reaktsioone. McKemy D. D., Neuhausser W. M., Julius D. (2002). Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature. 416, 52–58. Peier A. M., Moqrich A., Hergarden A. C., Reeve A. J., Andersson D. A., Story G. M., Earley T. J., Dragoni I., McIntyre P., Bevan S., Patapoutian A. (2002). A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell. 108, 705–715. Brauchi S., Orio P., Latorre R. (2004). Clues to understanding cold sensation: thermodynamics and electrophysiological analysis of the cold receptor TRPM8. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 101(43), 15494-15499. Voets T., Droogmans G., Wissenbach U., Janssens A., Flockerzi V., Nilius B. (2004). The principle of temperature-dependent gating in cold- and heat-sensitive TRP channels. Nature. 430, 748–754 Behrendt H. J., Germann T., Gillen C., Hatt H., Jostock R. (2004). Characterization of the mouse cold-menthol receptor TRPM8 and vanilloid receptor type-1 VR1 using a fluorometric imaging plate reader (FLIPR) assay. Br. J. Pharmacol. 141(4), 737–745. Montell, C. (2005). The TRP superfamily of cation channels. Sci. STKE. 272, (re3) 1–24. Zhang L., Barritt G. J. (2004). Evidence that TRPM8 is an androgen-dependent Ca2- channel required for the survival of prostate cancer cells. Cancer Res. 64, 8365–8373. Tsavaler L., Shapero M. H., Morkowski S., Laus R. (2001). Trp-p8, a novel prostate-specific gene, is up-regulated in prostate cancer and other malignancies and shares high homology with transient receptor potential calcium channel proteins. Cancer Res. 61(9), 3760–3769. Ramsey, I. S., Delling, M., Clapham, D. E. (2006). An introduction to TRP channels. Annu. Rev. Physiol. 68, 619–647. Voets T., Owsianik G., Janssens A., Talavera K., Nilius B. (2007). TRPM8 voltage sensor mutants reveal a mechanism for integrating thermal and chemical stimuli. Nat. Chem. Biol. 3(3), 174–182. Bandell M., Dubin A. E., Petrus M. J., Orth A., Mathur J., Hwang S. W., Patapoutian A. (2006). High-throughput random mutagenesis screen reveals TRPM8 residues specifically required for activation by menthol. Nat. Neurosci. 9(4), 493–500. Chuang H. H., Neuhausser W. M., Julius D. (2004). The super-cooling agent icilin reveals a mechanism of coincidence detection by a temperature-sensitive TRP channel. Neuron. 43, 859–869. Nilius B., Prenen J., Janssens A., Owsianik G., Wang C., Zhu M. X., Voets T. (2005). Regulation of the Ca2+ sensitivity of the nonselective cation channel TRPM4. J. Biol. Chem. 280, 22899–22906. Kühn F. J., Knop G., Lückhoff A. (2007). The transmembrane segment S6 determines cation versus anion selectivity of TRPM2 and TRPM8. J. Biol. Chem. 282, 27598–27609. Erler I., Al-Ansary D. M., Wissenbach U., Wagner T. F., Flockerzi V., Niemeyer B. A. (2006). Trafficking and assembly of the coldsensitive TRPM8 channel. J. Biol. Chem. 281(50), 38396-38404. Bautista D. M., Siemens J., Glazer J. M., Tsuruda P. R., Basbaum A. I., Stucky C. L., Jordt S. E., Julius D. (2007). The menthol receptor TRPM8 is the principal detector of environmental cold. Nature. 448, 204–208. Colburn R. W., Lubin M. L., Stone D. J. Jr., Wang Y., Lawrence D., D'Andrea M. R., Brandt M. R., Liu Y., Flores C. M., Qin N. (2007). Attenuated cold sensitivity in TRPM8 null mice. Neuron. 54, 379–386. Brauchi S., Orta G., Mascayano C., Salazar M., Raddatz N., Urbina H., Rosenmann E., Gonzalez-Nilo F., Latorre R. (2007). Dissection of the components for PIP2 activation and thermosensation in TRP channels. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104(24),10246-10251. Brauchi S., Orta G., Salazar M., Rosenmann E., Latorre R. (2006). A hot-sensing cold receptor: C-terminal domain determines thermosensation in transient receptor potential channels. J. Neurosci. 26(18), 4835–4840. Appendino G., Minassi A., Pagani A., Ech-Chahad A. (2008). The role of natural products in the ligand deorphanization of TRP channels. Curr. Pharm. Des. 14, 2–17. Dragoni I., Guida E., McIntyre P. (2006). The cold and menthol receptor TRPM8 contains a functionally important double cysteine motif. J. Biol. Chem. 281(49), 37353-37360. Takashima Y., Daniels R. L., Knowlton W., Teng J., Liman E. R., McKemy D. D. (2007). Diversity in the neural circuitry of cold sensing revealed by genetic axonal labeling of transient receptor potential melastatin 8 neurons. J. Neurosci. 27(51), 14147-14157. Dhaka A., Earley T. J., Watson J., Patapoutian A. (2008). Visualizing cold spots: TRPM8-expressing sensory neurons and their projections. J. Neurosci. 28(3), 566–575. Hayashi T., Kondo T., Ishimatsu M., Yamada S., Nakamura K., Matsuoka K., Akasu T. (2009). Expression of the TRPM8-immunoreactivity in dorsal root ganglion neurons innervating the rat urinary bladder. Neurosci. Res. 65(3), 245–251. Dhaka A., Viswanath V., Patapoutian A. (2006). Trp ion channels and temperature sensation. Annu Rev Neurosci. 29, 135–161. Julius D. (2005). From peppers to peppermints: natural products as probes of the pain pathway. Harvey Lect. 101, 89–115. Venkatachalam K., Montell C. (2007). TRP channels. Annu Rev Biochem. 76, 387–417. Clapham D. E. (2003). TRP channels as cellular sensors. Nature. 426, 517–524. Saito S., Shingai R. (2006). Evolution of thermoTRP ion channel homologs in vertebrates. Physiol Genomics. 27, 219–230. Seebacher F., Murray S. A. (2007). Transient receptor potential ion channels control thermoregulatory behaviour in reptiles. PLoS ONE. 2, e281. Liu Y., Lubin M. L., Reitz T. L., Wang Y., Colburn R. W., Flores C. M., Qin N. (2006). Molecular identification and functional characterization of a temperature-sensitive transient receptor potential channel (TRPM8) from canine. Eur. J. Pharmacol. 530(1–2), 23–32. Casterlin M. E., Reynolds W. W. (1980). Diel activity and thermoregulatory behavior of a fully aquatic frog: Xenopus laevis. Hydrobiologia. 75, 3. Hirsch N., Zimmerman L. B., Grainger R. M. (2002). Xenopus, the next generation: X. tropicalis genetics and genomics. Dev Dyn. 225, 422–433. Loumont C. (1984). Current Distribution of the Genus Xenopus in Africa and Future-Prospects. Revue Suisse de Zoologie. 91, 725–746. Sant'Ambrogio F. B., Anderson J. W., Sant'Ambrogio G. (1991). Effect of Lmenthol on laryngeal receptors. J. Appl. Physiol. 70, 788–793. Sant'Ambrogio F. B., Anderson J. W., Sant'Ambrogio G. (1992). Menthol in the upper airway depresses ventilation in newborn dogs. Respir. Physiol. 89, 299–307. Sant'Ambrogio G., Mathew O. P., Sant'Ambrogio F. B., Fisher J. T. (1985). Laryngeal cold receptors. Respir. Physiol. 59, 35–44. Takeuchi S., Tamaoki J., Kondo M., Konno K. (1994). Effect of menthol on cytosolic Ca2+ levels in canine airway epithelium in culture. Biochem. Biophys. Res. Commun. 201, 1333–1338. Chiyotani A. J., Tamaoki T. S., Isono K. M. K. (1994). Stimulation by menthol of Cl secretion via a Ca2+-dependent mechanism in canine airway epithelium. Br. J. Pharmacol. 112, 571–575. Ding Z., Gomez T., Werkheiser J. L., Cowan A., Rawls S. M. (2008). Icilin induces a hyperthermia in rats that is dependent on nitric oxide production and NMDA receptor activation. Eur. J. Pharmacol. 578(2–3), 201–208. Rossi H. L., Vierck C. J. Jr., Caudle R. M., Yezierski R. P., Neubert J. K. (2009). Dose-dependent effects of icilin on thermal preference in the hindpaw and face of rats. J. Pain. 10(6), 646–653. Johnson C. D., Melanaphy D., Purse A., Stokesberry S. A., Dickson P., Zholos A. V. (2009). Transient receptor potential melastatin 8 channel involvement in the regulation of vascular tone. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 296(6), H1868-1877. Masamoto Y., Kawabata F., Fushiki T. (2009). Intragastric administration of TRPV1, TRPV3, TRPM8, and TRPA1 agonists modulates autonomic thermoregulation in different manners in mice. Biosci. Biotechnol. Biochem. 73(5), 1021–1027. Tajino K., Matsumura K., Kosada K., Shibakusa T., Inoue K., Fushiki T., Hosokawa H., Kobayashi S. (2007). Application of menthol to the skin of whole trunk in mice induces autonomic and behavioral heat-gain responses. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 293(5), R2128-2135. Myers B. R., Sigal Y. M., Julius D. (2009). Evolution of thermal response properties in a cold-activated TRP channel. PLoS ONE. 4(5), e5741. Xing H., Ling J. X., Chen M., Johnson R. D., Tominaga M., Wang C. Y., Gu J. (2008). TRPM8 mechanism of autonomic nerve response to cold in respiratory airway. Mol. Pain 4, 22. Jammes Y., Barthelemy P., Delpierre S. (1983). Respiratory effects of cold air breathing in anesthetized cats. Respir. Physiol. 54, 41–54. Giesbrecht G. G., Younes M. (1995). Exercise- and cold-induced asthma. Can. J. Appl. Physiol. 20, 300–314. Giesbrecht G. G., Pisarri T. E., Coleridge J. C., Coleridge H. M. (1993). Cooling the pulmonary blood in dogs alters activity of pulmonary vagal afferents. J. Appl. Physiol. 74, 24–30. Kawane H. (1996). Menthol and aspirin-induced asthma. Respir Med. 90, 247. dos Santos M. A., Santos Galvao C. E., Morato Castro F. (2001). Mentholinduced asthma: a case report. J Investig Allergol Clin Immunol. 11,56–58. Morice A. H., Marshall A. E., Higgins K. S., Grattan T. J. (1994). Effect of inhaled menthol on citric acid induced cough in normal subjects. Thorax. 49, 1024–1026.