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2021年2月17日，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍研究組應(yīng)邀在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Trends in Biochemical Sciences發(fā)表題為《機(jī)械敏感Piezo通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械門(mén)控機(jī)制》（Structural Designs and Mechanogating Mechanisms of the Mechanosensitive Piezo Channels）的綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了哺乳動(dòng)物機(jī)械門(mén)控離子通道Piezo1和Piezo2自2010年被發(fā)現(xiàn)報(bào)導(dǎo)以來(lái)的重要研究進(jìn)展，包括其重要的生理病理功能、生物物理及藥理學(xué)特性、精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和獨(dú)特的機(jī)械門(mén)控機(jī)制，并對(duì)其進(jìn)一步的深入研究進(jìn)行了展望。

人是如何感受力的？我們?nèi)绾胃兄碌奈帐?、母親的輕撫，這些看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，科學(xué)家們致力于尋找答案。細(xì)胞，作為生物功能的基本單元，能夠感知并響應(yīng)機(jī)械力，有的細(xì)胞在機(jī)械力的刺激下，可以產(chǎn)生興奮性電流并伴隨鈣離子的內(nèi)流，但介導(dǎo)這一細(xì)胞學(xué)現(xiàn)象的蛋白分子長(zhǎng)久以來(lái)未被發(fā)現(xiàn)。直到2010年，Ardem Patapoutian團(tuán)隊(duì)首次鑒定發(fā)現(xiàn)介導(dǎo)哺乳動(dòng)物機(jī)械力敏感陽(yáng)離子電流的Piezo基因家族，包括Piezo1和Piezo2兩個(gè)成員(Coste et al., Science 2010)。隨后于2012年，在Patapoutian團(tuán)隊(duì)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(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道的核心孔道亞基，從而首次證實(shí)確立了機(jī)械門(mén)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(shí)Piezo通道的研究成果已經(jīng)被收錄進(jìn)由美國(guó)斯坦福大學(xué)教授駱立群博士主編的《神經(jīng)生物學(xué)原理》(Principles of Neurobiology)教科書(shū)。

圖 1 Piezo通道在多種細(xì)胞類(lèi)型中的表達(dá)與功能
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Piezo1主要是表達(dá)在非神經(jīng)元細(xì)胞中，而Piezo2則主要表達(dá)在初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元細(xì)胞。Piezo1作為一種通用的機(jī)械傳導(dǎo)通道，在不同的細(xì)胞類(lèi)型中通過(guò)介導(dǎo)不同的Ca2?信號(hào)通路從而承擔(dān)多種細(xì)胞學(xué)功能。Piezo1介導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)與心血管發(fā)育與功能、紅細(xì)胞體積調(diào)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(dòng)和結(jié)腸炎等多種生理病理過(guò)程相關(guān)。Piezo2是啟動(dòng)初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元和特殊細(xì)胞類(lèi)型（如麥克爾細(xì)胞）去極化的主要機(jī)械傳導(dǎo)通道，介導(dǎo)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(diào)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(jī)械性瘙癢和疼痛（圖 1）。Piezo2在觸覺(jué)感知上的重要作用在人類(lèi)、小鼠、大鼠、星鼻鼴、鳥(niǎo)類(lèi)、斑馬魚(yú)等多種物種上被證實(shí)。

Piezo通道的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究

Piezo通道的結(jié)構(gòu)特征
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面對(duì)如此重要的機(jī)械力分子受體蛋白，科學(xué)家們好奇究竟是怎樣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，賦予了它們高效感知機(jī)械刺激并把其轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)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(shù)，首次解析報(bào)導(dǎo)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(jié)構(gòu)，并利用電生理膜片鉗、生化、藥理學(xué)等研究手段對(duì)其結(jié)構(gòu)功能關(guān)系進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，創(chuàng)新性提出了Piezo通道進(jìn)行機(jī)械門(mén)控的功能區(qū)模塊化作用機(jī)制假說(shuō)、杠桿作用機(jī)制假說(shuō)、雙門(mén)控作用機(jī)制假說(shuō)、以及門(mén)塞和閂鎖作用機(jī)制假說(shuō)，不僅有力驅(qū)動(dòng)了對(duì)Piezo通道這類(lèi)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(shù)的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)(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(jié)構(gòu)(Nature 2018)已經(jīng)被收錄進(jìn)《神經(jīng)生物學(xué)原理》(Principles of Neurobiology)教科書(shū)。

圖 2 同源三聚體Piezo通道的三維結(jié)構(gòu)和機(jī)械門(mén)控機(jī)制模型

圖 3 Piezo2蛋白的38次跨膜螺旋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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Piezo1與Piezo2形成“巨大”的三聚體三葉螺旋槳結(jié)構(gòu)：它們的蛋白單體含有38次跨膜螺旋，通過(guò)同源三聚形成離子通道，其中每個(gè)單體羧基端的2個(gè)跨膜區(qū)通過(guò)三聚化形成中心孔道區(qū)，而氨基端36個(gè)跨膜螺旋以4次跨膜區(qū)為單元組裝成共9個(gè)重復(fù)性的結(jié)構(gòu)單元（THU），從中心孔道區(qū)向外伸展，形成槳葉結(jié)構(gòu)（圖 3）。如此獨(dú)特的結(jié)構(gòu)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(gè)跨膜區(qū)并非處于一個(gè)平面上，而是形成直徑24 nm，深9 nm的碗狀凹陷結(jié)構(gòu)，研究者將其稱(chēng)之為“納米碗”：其碗面積為700 nm2, 而平面內(nèi)膜面積為450 nm2（圖 2A和B）。研究者推測(cè)當(dāng)力作用于細(xì)胞膜時(shí)，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(zhuǎn)化成平面內(nèi)膜面積，引起高達(dá)250 nm2的平面膜面積的擴(kuò)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(dú)特的納米碗狀結(jié)構(gòu)可能是賦予其高度機(jī)械敏感性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖 2D）。
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圖 4 包含跨膜孔道和三條胞內(nèi)側(cè)的側(cè)向離子通透路徑的中心孔道模塊區(qū)
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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(gè)完全密封的跨膜區(qū)孔道，上方有一個(gè)收縮部位，下方有一個(gè)10?長(zhǎng)的狹窄部位（圖4A）。相比之下，所解析的Piezo1結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的兩個(gè)位置都處于擴(kuò)張狀態(tài)。因此，這兩個(gè)收縮位置被稱(chēng)之為上、下跨膜區(qū)孔道閘門(mén)（圖2D和4A, upper and lower TM gates）。刪除整個(gè)帽子區(qū)域或與槳葉接觸的區(qū)域，或通過(guò)交聯(lián)限制帽子區(qū)域運(yùn)動(dòng)會(huì)抑制Piezo通道的激活。這些研究表明上、下跨膜區(qū)孔道閘門(mén)的激活是由帽子區(qū)域來(lái)控制的。結(jié)構(gòu)和功能分析還表明，三個(gè)胞內(nèi)的側(cè)向離子通透路徑連接到中心孔區(qū)，從而充當(dāng)細(xì)胞內(nèi)離子傳導(dǎo)途徑（圖2C、D和4B-D）。有趣的是，三個(gè)側(cè)向離子通透路徑的出口被三個(gè)門(mén)塞分別堵住。對(duì)剪切突變體Piezo1.1的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)Piezo1.1正好缺失這三個(gè)門(mén)塞的區(qū)域，使得三個(gè)側(cè)向離子通透路徑的出口被打開(kāi)（圖 4D）?；诮Y(jié)構(gòu)功能分析，肖百龍課題組提出了Piezo通道利用類(lèi)似門(mén)塞和閂鎖（plug-and-latch）的作用原理對(duì)其胞內(nèi)側(cè)離子通透路徑進(jìn)行門(mén)控的精巧分子機(jī)制。

圖 5 Piezo離子通道可整合以細(xì)胞膜張力感知為基礎(chǔ)的脂膜張力模型(force-from-lipids, FFL)以及E-Cadherin介導(dǎo)的以細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的栓繩拉力模型(force-from-filament，F(xiàn)FF)來(lái)協(xié)同實(shí)現(xiàn)機(jī)械門(mén)控

Piezo離子通道可整合以細(xì)胞膜張力感知為基礎(chǔ)的脂膜張力模型(force-from-lipids, FFL)以及E-Cadherin介導(dǎo)的以細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的栓繩拉力模型(force-from-filament，F(xiàn)FF)來(lái)協(xié)同實(shí)現(xiàn)機(jī)械門(mén)控。E-Cadherin的胞外區(qū)與Piezo1的帽狀結(jié)構(gòu)域的直接相互作用，以及E-Cadherin蛋白的胞內(nèi)C端與Piezo1的細(xì)胞內(nèi)門(mén)控元件的直接相互作用構(gòu)成了來(lái)自骨架的栓繩拉力模型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過(guò)E-Cadherin-β-catenin-vinculin-F-actin機(jī)械傳導(dǎo)復(fù)合物，Piezo通道可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間的長(zhǎng)距離機(jī)械傳導(dǎo)。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(gòu)成來(lái)自脂膜的力模型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖 5）。
自10年前被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，Piezo通道的重要生理病理功能在包括人類(lèi)自身的多種物種中得以證實(shí)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)-功能研究揭示了其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和精巧的門(mén)控機(jī)制，使Piezo通道利用精巧的機(jī)械傳導(dǎo)機(jī)制，有效地將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為細(xì)胞信號(hào)。盡管目前為止有關(guān)Piezo通道的研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但仍有許多懸而未決的問(wèn)題有待解決。譬如，隨著對(duì)決定Piezo通道機(jī)械敏感性和離子通透的關(guān)鍵功能位點(diǎn)的鑒定發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)構(gòu)建定點(diǎn)突變的敲入小鼠模型，進(jìn)而探究Piezo通道如何利用其通道特性來(lái)精確決定其所控制的各種機(jī)械傳導(dǎo)過(guò)程。鑒于Piezo通道的特征性納米碗結(jié)構(gòu)和所提出的門(mén)控機(jī)制假說(shuō)，研究脂質(zhì)環(huán)境中Piezo通道的動(dòng)態(tài)門(mén)控機(jī)制至關(guān)重要?；趯?duì)Piezo通道的分子機(jī)制和疾病相關(guān)性的深入理解，一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的終極目標(biāo)是開(kāi)發(fā)新的疾病治療藥物，譬如通過(guò)抑制Piezo2來(lái)開(kāi)發(fā)抑制機(jī)械超敏痛（觸摸痛）的新型鎮(zhèn)痛藥物。

清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍研究員為本文通訊作者，其研究組2015級(jí)藥學(xué)院博士研究生江艷、2019級(jí)CLS項(xiàng)目博士研究生楊旭中、2017級(jí)藥學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（31630090）、杰出青年科學(xué)基金（31825014）、以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0500402, 2015CB910102）、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京市高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tibs.2021.01.008