青年学者最新Nature发文：细胞“感知”机械力的精巧分子机器结构与机制

来自清华大学、北京大学生命科学联合中心的研究人员发表了题为“Structure and Mechanogating Mechanism of the piezo1 Channel”的文章，通过解析哺乳动物机械门控piezo1离子通道的高分辨率三维结构，揭示了这种通道参与机械力感受与传递的关键功能位点，进而首次提出了piezo通道以类似杠杆原理进行机械门控的精巧工作机制。该研究对理解生物机体如何将机械力刺激转化为电化学信号这一基本生命过程具有重要意义。

这一研究成果公布在1月22日的Nature杂志上，文章的通讯作者为生命中心pI肖百龙、李雪明，第一作者为赵前程、周珩、池少鹏和王燕峰。

机械门控阳离子通道是一类能够响应机械力刺激而引起阳离子进出细胞、进而诱发细胞兴奋和信号传递的一类重要离子通道，然而其在哺乳动物中的分子组成长期未被发现确定。直到2010年，piezo基因家族包括piezo1和piezo2两个基因被编码该类通道的必要组成成分 (Coste et al., Science 2010)。

随后于2012年，肖百龙博士与其同事合作在《自然》期刊报道piezo蛋白构成机械门控通道的孔道组成成分，从而首次确立了piezo通道这一全新机械门控离子通道家族。该论文被汤森路透收录为高被引论文。

piezo通道作为机械力受体能够被挤压、牵张以及流体剪切力等不同形式的机械力所激活。 表达在血管内皮细胞中的piezo1被证实作为剪切力受体感知血流，从而控制血管发育以及进行血压调节，而表达在感觉神经细胞中的piezo1被证实承担触碰及本体感知分子受体的功能。piezo1基因人类遗传突变引起干瘪红细胞增多症、淋巴管发育不良症；而piezo2基因突变导致远端关节弯曲综合症及触碰感知缺陷。因此，piezo通道具有非常重要的生理、病理功能，也是重要的药物靶点。

肖百龙博士课题组致力于对piezo通道进行深入系统研究并取得了系列重要研究进展。2015年，肖百龙课题组合作在《自然》期刊率先报道了piezo1通道中等分辨率的冷冻电镜三维结构，揭示了其三叶螺旋桨状三维构造特征。2016年，在神经科学顶级期刊《神经元》(Neuron) 报道了piezo1通道负责离子通透与选择性的孔道区模块以及负责机械力感受与传导的机械传感模块。2017年，在《自然·通讯》报道piezo通道的新型调控蛋白SERCA并阐明了其对piezo通道活性调控的作用机制。

然而，piezo通道的高分辨率三维结构以及其如何感知机械力并精准控制阳离子特异性通透的分子机制尚不清楚。

在最新的这篇《自然》论文中，他们首先结合蛋白表达纯化、单颗粒冷冻电镜及三维重构技术，经过两年多的不懈努力，克服piezo1通道三维结构的不稳定性，最终成功解析出其高分辨率结构，揭示了其独特而精巧的构造特征以及关键结构域的氨基酸组成。piezo1通道整体呈现三聚体三叶螺旋桨状结构 (图a)，其中心为控制离子通透的孔道部分，包含“帽子”结构域（Cap）、IH 与OH组成的跨膜孔道以及胞内羧基端部分（CTD）所组成的三个侧向离子出口（portals）(图d)；而其外周特征性结构域包括“桨叶”（blade）、“长杆”（beam）以及“锚定区”（anchor）(图a-c)。

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a，piezo1通道的三聚体冷冻电镜示意图；
b，由38次跨膜区组成的piezo1拓扑结构示意图；
c，piezo1一个亚基细节组成展示图；
d, piezo1成孔区的组成。参与机械力激活piezo1的胞外loop区以及位于beam上的L1342与L1345位点显示在b及c图。

非常有意思的是，研究人员发现其桨叶部分却由共9个重复性的、以4次跨膜区为基础的结构单元串联而成，并把这一特征性的结构域以清华大学的英文缩写命名为THU (Transmembrane Helical Unit)。据此，piezo1蛋白以每个亚基包含38次跨膜区、总计114次跨膜区的形式组装成目前已知的跨膜次数最多的一类膜蛋白复合物 (图b-c)。而且，不同于其它离子通道类型，piezo1通道的跨膜区以大曲度、而非平面形式存在。他们认为这可能是piezo通道能有效感知细胞膜张力变化的重要结构基础之一。

3根长约90 Å的长杆结构将远端桨叶区连接到中心孔道区部分 (图b-c)。通过对所获得的结构数据进行进一步的三维分类比较分析，他们发现外周桨叶及beam的远端部分存在剧烈的构像变化，而中心孔道区及beam的中心端部分只显示轻微的位移变化。piezo1结构的构象变化契合杠杆作用原理。因此，他们提出了piezo1通道以外周THU作为机械力感受器、而beam作为机械传递装置，从而完成其精细机械力感知与传递的机械门控机制假说。

为了从功能上验证这一假说，利用生化和电生理实验，他们鉴定发现远端THU胞外区以及位于beam上靠近中心端的两个氨基酸L1342/L1345对于piezo1通道的机械力激活非常重要。据此，他们首次提出beam可能形成以L1342/L1345为支点的杠杆结构(图b-c)，将位于其长臂端的浆叶区大的构象变化转化成位于其短臂端的中心孔道区的相对细微构象变化，从而在进行机械力的传递和放大的同时，保证中心孔道阳离子的特异性通透。三套精细的杠杆传递装置进一步组装成一个复杂而有序的三聚体螺旋桨状结构来行驶其机械门控通道的功能。

肖百龙博士表示以上研究进展为下一步深入理解遗传突变如何导致piezo通道功能失常并引起人类疾病、药物筛选与技术开发提供了重要线索。

作者简介：

肖百龙博士自2013年1月起在清华大学药学院(原医学院药学系)、清华－北大生命科学联合中心、IDG／麦戈文脑科学研究所担任研究员、博士生导师，是青年****、基金委优秀科学基金获得者。他于2001年从中山大学生命科学学院生物化学专业获得理学学士学位。2001-2006年期间就读于加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)并获得心血管分子生物学专业博士学位，导师是Wayne Chen教授。2007-2012年期间在美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)从事神经科学博士后研究，主要开展触觉痛觉分子细胞学机制的研究工作，导师是Ardem patapoutian教授。

李雪明博士主要从事冷冻电子显微学理论和方法研究，着重于开发和利用最新的电子显微学技术，以提高冷冻电子显微学三维重构的分辨率到原子水平；同时致力于将电子显微学应用到结构生物学研究中去，以解决与结构相关的重要生物学问题。在生物方面，从事细菌外膜分泌系统的结构与功能研究。

原文标题：

Structure and mechanogating mechanism of the piezo1 channel