科研成果 | 肖百龍研究組應邀在國際知名學術期刊發(fā)表機械門控Piezo通道的研究綜述-肽度TIMEDOO
2021年2月17日，清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心肖百龍研究組應邀在國際知名學術期刊Trends in Biochemical Sciences發(fā)表題為《機械敏感Piezo通道的結構設計和機械門控機制》（Structural Designs and Mechanogating Mechanisms of the Mechanosensitive Piezo Channels）的綜述文章，系統(tǒng)總結了哺乳動物機械門控離子通道Piezo1和Piezo2自2010年被發(fā)現(xiàn)報導以來的重要研究進展，包括其重要的生理病理功能、生物物理及藥理學特性、精巧的結構設計和獨特的機械門控機制，并對其進一步的深入研究進行了展望。
Piezo通道的發(fā)現(xiàn)與證實
人是如何感受力的？我們如何感知同事的握手、母親的輕撫，這些看似簡單的問題，科學家們致力于尋找答案。細胞，作為生物功能的基本單元，能夠感知并響應機械力，有的細胞在機械力的刺激下，可以產生興奮性電流并伴隨鈣離子的內流，但介導這一細胞學現(xiàn)象的蛋白分子長久以來未被發(fā)現(xiàn)。直到2010年，Ardem Patapoutian團隊首次鑒定發(fā)現(xiàn)介導哺乳動物機械力敏感陽離子電流的Piezo基因家族，包括Piezo1和Piezo2兩個成員(Coste et al., Science 2010)。隨后于2012年，在Patapoutian團隊從事博士后研究的肖百龍博士與其同事合作證明了Piezo蛋白是機械門控陽離子通道的核心孔道亞基，從而首次證實確立了機械門控Piezo通道這一全新離子通道家族(Coste, Xiao et al., Nature 2012)。發(fā)現(xiàn)與證實Piezo通道的研究成果已經被收錄進由美國斯坦福大學教授駱立群博士主編的《神經生物學原理》(Principles of Neurobiology)教科書。
Piezo1與Piezo2在多種細胞類型中介導機械傳導過程
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圖 1 Piezo通道在多種細胞類型中的表達與功能
Piezo1主要是表達在非神經元細胞中，而Piezo2則主要表達在初級感覺神經元細胞。Piezo1作為一種通用的機械傳導通道，在不同的細胞類型中通過介導不同的Ca2?信號通路從而承擔多種細胞學功能。Piezo1介導的機械轉導與心血管發(fā)育與功能、紅細胞體積調節(jié)、腎功能、骨形成和重塑、軸突再生、先天免疫、脂肪炎癥和脂肪生成、壓力性胰腺炎、腸道蠕動和結腸炎等多種生理病理過程相關。Piezo2是啟動初級感覺神經元和特殊細胞類型（如麥克爾細胞）去極化的主要機械傳導通道，介導輕微觸碰、觸摸痛、本體感受、呼吸道伸展和肺膨脹、血壓反射弧調控（連同Piezo1）、低閾值膀胱伸展和尿道排尿等生理病理功能。Piezo2還被發(fā)現(xiàn)可抑制機械性瘙癢和疼痛（圖 1）。Piezo2在觸覺感知上的重要作用在人類、小鼠、大鼠、星鼻鼴、鳥類、斑馬魚等多種物種上被證實。
Piezo通道的結構基礎研究
Piezo通道的結構特征
面對如此重要的機械力分子受體蛋白，科學家們好奇究竟是怎樣的結構基礎，賦予了它們高效感知機械刺激并把其轉化為電化學信號的能力？肖百龍課題組與其合作者利用單顆粒冷凍電鏡技術，首次解析報導了Piezo1、Piezo2以及由其課題組所鑒定發(fā)現(xiàn)的Piezo1剪切變體-Piezo1.1的三維結構，并利用電生理膜片鉗、生化、藥理學等研究手段對其結構功能關系進行了深入系統(tǒng)的研究，創(chuàng)新性提出了Piezo通道進行機械門控的功能區(qū)模塊化作用機制假說、杠桿作用機制假說、雙門控作用機制假說、以及門塞和閂鎖作用機制假說，不僅有力驅動了對Piezo通道這類全新離子通道家族的深入理解，也為基于Piezo離子通道的新型藥物與技術的開發(fā)奠定了堅實的基礎(Nature 2015,2018,2019; Neuron 2016,2020; Nature Communications 2017,2018; Annual Reviews of Pharmacology and Toxicology 2020)。其與李雪明課題組合作解析的Piezo1的高分辨率結構(Nature 2018)已經被收錄進《神經生物學原理》(Principles of Neurobiology)教科書。
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圖 2 同源三聚體Piezo通道的三維結構和機械門控機制模型
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圖 3 Piezo2蛋白的38次跨膜螺旋拓撲結構
Piezo1與Piezo2形成“巨大”的三聚體三葉螺旋槳結構：它們的蛋白單體含有38次跨膜螺旋，通過同源三聚形成離子通道，其中每個單體羧基端的2個跨膜區(qū)通過三聚化形成中心孔道區(qū)，而氨基端36個跨膜螺旋以4次跨膜區(qū)為單元組裝成共9個重復性的結構單元（THU），從中心孔道區(qū)向外伸展，形成槳葉結構（圖 3）。如此獨特的結構使得Piezo1/2的三聚體離子通道一共擁有114次跨膜螺旋區(qū)，為已知含跨膜螺旋區(qū)最多的離子通道。更加引人注目的是，這114個跨膜區(qū)并非處于一個平面上，而是形成直徑24 nm，深9 nm的碗狀凹陷結構，研究者將其稱之為“納米碗”：其碗面積為700 nm2, 而平面內膜面積為450 nm2（圖 2A和B）。研究者推測當力作用于細胞膜時，可引起槳葉變平。如果槳葉完全展平，可以將700 nm2的碗面積完全轉化成平面內膜面積，引起高達250 nm2的平面膜面積的擴張。由于張力敏感度由膜面積的膨脹變化所決定，因此Piezo通道獨特的納米碗狀結構可能是賦予其高度機械敏感性的結構基礎（圖 2D）。
Piezo通道的門控機制
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圖 4 包含跨膜孔道和三條胞內側的側向離子通透路徑的中心孔道模塊區(qū)
跨膜區(qū)孔道由第38次跨膜螺旋圍合而成（圖3和4A）。所解析的Piezo2通道有一個完全密封的跨膜區(qū)孔道，上方有一個收縮部位，下方有一個10?長的狹窄部位（圖4A）。相比之下，所解析的Piezo1結構中相應的兩個位置都處于擴張狀態(tài)。因此，這兩個收縮位置被稱之為上、下跨膜區(qū)孔道閘門（圖2D和4A, upper and lower TM gates）。刪除整個帽子區(qū)域或與槳葉接觸的區(qū)域，或通過交聯(lián)限制帽子區(qū)域運動會抑制Piezo通道的激活。這些研究表明上、下跨膜區(qū)孔道閘門的激活是由帽子區(qū)域來控制的。結構和功能分析還表明，三個胞內的側向離子通透路徑連接到中心孔區(qū)，從而充當細胞內離子傳導途徑（圖2C、D和4B-D）。有趣的是，三個側向離子通透路徑的出口被三個門塞分別堵住。對剪切突變體Piezo1.1的冷凍電鏡結構解析發(fā)現(xiàn)Piezo1.1正好缺失這三個門塞的區(qū)域，使得三個側向離子通透路徑的出口被打開（圖 4D）?；诮Y構功能分析，肖百龍課題組提出了Piezo通道利用類似門塞和閂鎖（plug-and-latch）的作用原理對其胞內側離子通透路徑進行門控的精巧分子機制。
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圖 5 Piezo離子通道可整合以細胞膜張力感知為基礎的脂膜張力模型(force-from-lipids, FFL)以及E-Cadherin介導的以細胞骨架結構為基礎的栓繩拉力模型(force-from-filament，F(xiàn)FF)來協(xié)同實現(xiàn)機械門控
Piezo離子通道可整合以細胞膜張力感知為基礎的脂膜張力模型(force-from-lipids, FFL)以及E-Cadherin介導的以細胞骨架結構為基礎的栓繩拉力模型(force-from-filament，F(xiàn)FF)來協(xié)同實現(xiàn)機械門控。E-Cadherin的胞外區(qū)與Piezo1的帽狀結構域的直接相互作用，以及E-Cadherin蛋白的胞內C端與Piezo1的細胞內門控元件的直接相互作用構成了來自骨架的栓繩拉力模型的結構基礎，通過E-Cadherin-β-catenin-vinculin-F-actin機械傳導復合物，Piezo通道可以實現(xiàn)細胞內或細胞間的長距離機械傳導。相比之下，局部膜張力引起的高度彎曲的跨膜槳葉平面化可能構成來自脂膜的力模型的結構基礎（圖 5）。
自10年前被發(fā)現(xiàn)以來，Piezo通道的重要生理病理功能在包括人類自身的多種物種中得以證實。同時，結構-功能研究揭示了其獨特的結構特征和精巧的門控機制，使Piezo通道利用精巧的機械傳導機制，有效地將機械力刺激轉化為細胞信號。盡管目前為止有關Piezo通道的研究已經取得了顯著進展，但仍有許多懸而未決的問題有待解決。譬如，隨著對決定Piezo通道機械敏感性和離子通透的關鍵功能位點的鑒定發(fā)現(xiàn)，可以通過構建定點突變的敲入小鼠模型，進而探究Piezo通道如何利用其通道特性來精確決定其所控制的各種機械傳導過程。鑒于Piezo通道的特征性納米碗結構和所提出的門控機制假說，研究脂質環(huán)境中Piezo通道的動態(tài)門控機制至關重要?；趯iezo通道的分子機制和疾病相關性的深入理解，一個極具挑戰(zhàn)性的終極目標是開發(fā)新的疾病治療藥物，譬如通過抑制Piezo2來開發(fā)抑制機械超敏痛（觸摸痛）的新型鎮(zhèn)痛藥物。
清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心肖百龍研究員為本文通訊作者，其研究組2015級藥學院博士研究生江艷、2019級CLS項目博士研究生楊旭中、2017級藥學院博士研究生姜京徽為本文共同第一作者。本研究得到了國家自然科學基金重點項目（31630090）、杰出青年科學基金（31825014）、以及國家重點研發(fā)計劃（2016YFA0500402, 2015CB910102）、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、膜生物學國家重點實驗室的資助。
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000421000220?via%3Dihub=

來源：結構生物學高精尖創(chuàng)新中心