肖百龍博士課題組綜合利用生化結構、電生理膜片鉗、高通量藥物篩選、轉基因小鼠模型以及人類遺傳學等多學科研究手段，聚焦解答機械門控Piezo通道如何將機械力刺激轉化為電化學信號，以及其如何利用自身機械敏感性和通道特性來決定相關的生理病理功能這兩方面的關鍵科學問題，并致力于開發(fā)以Piezo通道為靶點的新型藥物及技術。迄今以通訊作者（含共同）身份在Piezo通道的三維結構解析(Nature 2015, 2018，2019)、分子機制揭示 (Neuron 2016；Nature Communications 2017)、小分子藥物發(fā)現(xiàn)(Nature Communications 2018)、以及生理病理功能探索(Cell Reports 2019；eLife 2019)等方面取得了系列重要研究成果。

在最新的這篇《自然》論文中，依托兩個課題組之前對Piezo1通道進行冷凍電鏡結構解析所建立的技術體系和研究平臺，研究人員經(jīng)過 6年多的不懈努力，克服全長2822個氨基酸的鼠源Piezo2表達量極低的困難，通過對蛋白純化條件以及冷凍電鏡制樣方法的不斷摸索和優(yōu)化，最終獲得了性質穩(wěn)定均一的蛋白樣品用于冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集。在結構解析過程中，由于Piezo蛋白具有極高的柔性，為解析高分辨率結構帶來極大的挑戰(zhàn)。研究人員將Piezo2數(shù)據(jù)顆粒進行對稱性擴展，并切割成三個部分獨立計算，得到高分辨的各部分結構后再拼合成完整結構，克服了柔性問題，最終獲得了整體分辨率為3.6-3.8?的三維結構(圖a)，并成功解析了Piezo2蛋白包含38次跨膜螺旋區(qū)的完整拓撲結構(圖c, d)。

研究者們發(fā)現(xiàn)，Piezo2通道的整體三維結構和之前所解析的Piezo1通道類似，以同源三聚體形式組裝成包含114次跨膜螺旋區(qū)的三葉螺旋槳狀結構(圖a-d)，確立了Piezo通道是迄今已知的含跨膜次數(shù)最多的一類大型膜蛋白。其中第1到第36次跨膜螺旋區(qū)（TM1-36）依次以4次跨膜螺旋區(qū)為單元組裝成共9個重復性的結構單元，這一特征性結構單元之前以清華大學英文縮寫命名為THU (Transmembrane Helical Unit，跨膜螺旋單元) (圖c, d)。非常有意思的是這9個THU串聯(lián)組成一個特殊的非平面的跨膜“槳葉”(Blade)結構，導致三個槳葉圍合成一個直徑28 nm而深度10 nm的往細胞內測凹陷的穹頂狀結構(圖b)。研究者推測這一穹頂狀Piezo蛋白－細胞膜系統(tǒng)可能是Piezo通道具有高度機械敏感性的結構基礎之一。

位于中心孔道區(qū)域上方的胞外“帽子”(Cap)結構域完全嵌在穹頂?shù)撞?(圖a, b)，而細胞內側則有一根9 nm長的長桿區(qū)結構(Beam)將槳葉的外周端連接到中心孔道的胞內部位 (圖a-e)。第38次跨膜螺旋（取名為inner helix，IH）和尾隨的胞內羧基端結構域(CTD)圍繞形成中心孔道部分(圖e, f)，包含位于跨膜區(qū)和胞質區(qū)的狹窄頸部(圖f, g)，提示該Piezo通道結構處于關閉態(tài)。Piezo2與Piezo1的結構比較表明，跨膜區(qū)狹窄位點在Piezo2結構中處于完全關閉狀態(tài)，而在Piezo1中則處于開放狀態(tài)(圖f, g)。據(jù)此，研究者提出該狹窄位點形成跨膜區(qū)的開關閘門(TM gate) (圖f, g)。進一步結構分析和電生理功能實驗表明該閘門可能通過頂端帽子結構域的旋轉來控制(圖h)。而由于位于胞質區(qū)的狹窄頸部(cytosolic constriction neck)在Piezo1和Piezo2結構中都處于關閉狀態(tài)(圖f, g)，因此該位點是否作為另一個開關閘門而被槳葉和長桿結構的構象變化所控制還有待進一步證明。

肖百龍博士表示，通過與李雪明博士課題組的通力合作，從Piezo1到Piezo2結構的解析不僅有力推動了對哺乳動物機械門控Piezo通道的結構和機械門控機制的理解，也為探究Piezo通道的功能失常所引發(fā)的人類疾病機理及其相關藥物的鑒定發(fā)現(xiàn)提供了堅實的基礎。依托其課題組已經(jīng)建立的Piezo通道的全方位研究平臺和學術積累，他們將致力于Piezo通道的藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)工作。

清華大學藥學院、結構生物學高精尖創(chuàng)新中心PI肖百龍博士和生命科學學院、結構生物學高精尖創(chuàng)新中心PI李雪明博士為本論文共同通訊作者。清華大學藥學院博士后王莉、生命學院2015級博士生周珩、2013級博士生張明敏及2016級博士生劉文豪為并列第一作者。此外，肖百龍課題組的博士生鄧團、趙前程（現(xiàn)耶魯大學博士后）、李祎然也參與了部分研究工作。清華大學冷凍電鏡平臺的雷建林博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。

本研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃（2016YFA0500402，2016YFA0501102，2016YFA0501902）、國家自然科學基金委杰出青年科學基金以及重點項目（31825014, 31630090，31570730）、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、北京市結構生物學高精尖創(chuàng)新中心以及生物膜國家重點實驗室的資助，同時得到了清華大學冷凍電鏡平臺、清華大學高性能計算平臺以及國家蛋白質設施實驗技術中心(北京)的支持。