研究方向：
1）TRP离子通道的配体与温度门控机制
2）离子通道蛋白质的动态构象变化
3）设计新的蛋白质或者改造天然蛋白质来调控离子通道的功能
杨帆研究员在浙江大学竺可桢学院工科混合班（生命科学专业）获得学士学位；之后前往美国加州大学戴维斯分校（UC Davis）攻读并获得博士学位。目前主要从事离子通道生物物理学与药理学的研究，以第一作者或通讯作者（含共同）在Nature Chemical Biology，Nature Communications，PNAS, Science Advances, National Science Review, PloS Biology, eLife等国际期刊发表多篇研究论文。
我们生活在一个复杂多变的世界中，从冰天雪地的南极洲到赤日炎炎的非洲，所有生命体都需要适应其所处的环境温度才能生存和繁衍，而环境温度适应的前提是生命体对温度的精确感知。从2006年开始在UC Davis师从郑劼教授读博，我孜孜以求想弄清楚的一个关键科学问题就是温度是如何在分子层面被感知的。通过David Julius与Ardem Patapoutian等科学家们研究，人们已经知道瞬时受体电位 (Transient Receptor Potential, TRP) 离子通道家族的多个成员发挥着温度感受器的作用，例如TRP vanilloid 1 (TRPV1) 在人体中可以42℃以上的高温激活，是重要的热感感受器；而TRP melastatin 8 (TRPM8) 可以被小于28℃的低温激活，是重要的冷感受器。那么，这些TRP通道又是怎么被温度激活的呢？
针对高温的分子感受器TRPV1，回国前杨帆研究员的研究发现，其孔区在热激活时发生了明显的构象变化[1]，且作用在孔区外侧的二价阳离子[2]与多肽动物毒素[3]都可以通过调控TRPV1通道的热敏感性来激活该通道。同时，我们可以通过替换孔区外侧的序列来实现在不影响TRPV1其他激活模式的前提下，特异地改变其热激活[4]，也可以通过插入无特定结构的多肽片段，隔离出TRPV1通道孔区，隔离后的孔区仍然有热激活的特性[5]。这一系列研究从一方面说，提示了TRPV1通道上孔区对热敏感性的重要作用；但是从另一方面看，在物理机制上，我们还尚未理解温度这样一个宏观的物理量如何被离子通道这样的微观的蛋白质机器所感受。
2017年回到浙江大学建立自己的实验室后，杨帆研究员继续研究温度的感受机制。杨帆研究员的团队从冷感受器TRPM8通道切入，通过和中科院昆明动物所的赖仞老师与杨仕隆老师合作，赖老师团队发现TRPM8通道的冷敏感性在南极洲的帝企鹅与非洲大陆的非洲象之间存在重大差异，即帝企鹅的TRPM8冷敏感性显著低于非洲象。突变位于该通道孔区的919位点可以在这两个物种的TRPM8通道上实现冷敏感性的可逆调控。通过荧光非天然氨基酸ANAP成像与蛋白质三维结构计算建模的整合运用，杨帆研究员进一步发现低温能引起TRPM8通道孔区中数个关键氨基酸的侧链发生从包埋状态到水环境暴露状态的动态构象变化，而通过改变这些氨基酸的侧链疏水性可以特异地调控通道冷敏感性的强弱：增大侧链疏水性，则提高该通道的冷敏感性。
基于上述实验观察，杨帆研究员提出了在微观层面TRPM8感受低温的生物物理机制：常温时，TRPM8通道的孔区中存在数个关键氨基酸，其侧链随机发生着在包埋/暴露两种状态之间的动态变化；当温度降低时，围绕在疏水性氨基酸侧链外围的水分子热运动降低，能更稳定地形成水化笼并稳定关键氨基酸侧链的暴露状态构象，进而使得该通道蛋白的动态构象平衡偏向激活状态[6]。因此，通过十余年以来的持续努力，我们朝着最终理解温度感受的物理机制与结构机制又往前迈进了一步。
杨帆研究员认为，对科学问题的追求应该有深度，有誓要钻破牛角尖的精神；对实验技术的使用应该有广度，能回答科学问题的技术皆为我所用。具体来讲，围绕着离子通道这个主题，我们团队目前综合运用了检测其功能的膜片钳电生理、反映其动态构象变化的荧光非天然氨基酸成像以及在离子通道的三维结构与生理功能之间架起桥梁的计算生物学工具。随着冷冻电镜成像技术的革命性发展，越来越多的离子通道的高分辨率三维结构得到了解析，例如2013年TRPV1通道结构的解析[7, 8]。但是，即使是TRPV1通道与其经典激动剂辣椒素结合状态的结构已经发现，由于种种因素的限制，辣椒素如何激活该通道仍然悬而未决。我们通过使用计算生物学的分子对接，结合双突变循环等电生理技术，揭示了辣椒素在其结合口袋里如何与TRPV1上氨基酸残基相互作用的细节[9]；同时采用ANAP荧光非天然氨基酸成像，以及基于单通道电生理记录的Φ分析，发现了辣椒素激活过程中引起的TRPV1通道的动态构象变化[10]。我们的研究和TRPV1通道的冷冻电镜结构一起，阐明了辣椒素激活该通道的时间空间机制；下一步，我们还将继续研究其它TRP通道与其经典配体的相互作用机制，为靶向TRP通道的镇痛药物研发打下基础。
参考文献
1. Yang, F., Y. Cui, K. Wang, and J. Zheng, Thermosensitive TRP channel pore turret is part of the temperature activation pathway. Proc Natl Acad Sci U S A, 2010. 107(15): p. 7083-8.
2. Yang, F., L. Ma, X. Cao, K. Wang, and J. Zheng, Divalent cations activate TRPV1 through promoting conformational change of the extracellular region. J Gen Physiol, 2014. 143(1): p. 91-103.
3. Yang, S., F. Yang, N. Wei, J. Hong, B. Li, L. Luo, M. Rong, V. Yarov-Yarovoy, J. Zheng, K. Wang, and R. Lai, A pain-inducing centipede toxin targets the heat activation machinery of nociceptor TRPV1. Nat Commun, 2015. 6: p. 8297.
4. Cui, Y., F. Yang, X. Cao, V. Yarov-Yarovoy, K. Wang, and J. Zheng, Selective disruption of high sensitivity heat activation but not capsaicin activation of TRPV1 channels by pore turret mutations. J Gen Physiol, 2012. 139(4): p. 273-83.
5. Ma, L., F. Yang, S. Vu, and J. Zheng, Exploring functional roles of TRPV1 intracellular domains with unstructured peptide-insertion screening. Sci Rep, 2016. 6: p. 33827.
6. Yang, S., X. Lu, Y. Wang, L. Xu, X. Chen, F. Yang, and R. Lai, A paradigm of thermal adaptation in penguins and elephants by tuning cold activation in TRPM8. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020. 117: p. 201922714.
7. Cao, E., M. Liao, Y. Cheng, and D. Julius, TRPV1 structures in distinct conformations reveal activation mechanisms. Nature, 2013. 504(7478): p. 113-8.
8. Liao, M., E. Cao, D. Julius, and Y. Cheng, Structure of the TRPV1 ion channel determined by electron cryo-microscopy. Nature, 2013. 504(7478): p. 107-12.
9. Yang, F., X. Xiao, W. Cheng, W. Yang, P. Yu, Z. Song, V. Yarov-Yarovoy, and J. Zheng, Structural mechanism underlying capsaicin binding and activation of the TRPV1 ion channel. Nat Chem Biol, 2015. 11(7): p. 518-524.
10. Yang, F., X. Xiao, B.H. Lee, S. Vu, W. Yang, V. Yarov-Yarovoy, and J. Zheng, The conformational wave in capsaicin activation of transient receptor potential vanilloid 1 ion channel. Nature Communications, 2018. 9(1): p. 2879.
