2019年8月21日,《自然》 (Nature) 期刊以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了由清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍課題組與生命科學(xué)學(xué)院李雪明課題組合作撰寫(xiě)的《哺乳動(dòng)物觸覺(jué)感知離子通道Piezo2的結(jié)構(gòu)與機(jī)械門(mén)控機(jī)制》(Structure and Mechanogating of the Mammalian Tactile Channel Piezo2)研究論文,首次報(bào)導(dǎo)了賦予我們?nèi)祟愖陨碛|覺(jué)感知能力的機(jī)械力分子受體-Piezo2離子通道的高分辨率的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)和精巧工作機(jī)制。該研究也是兩個(gè)課題組繼2018年1月22日合作在《自然》報(bào)導(dǎo)機(jī)械門(mén)控Piezo通道家族另一成員-Piezo1離子通道的高分辨率三維結(jié)構(gòu)和分子機(jī)制后,在該研究領(lǐng)域的又一重要研究成果,不僅有力推動(dòng)了對(duì)Piezo通道家族的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機(jī)制的理解,也為基于Piezo通道的藥物開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。《自然》同時(shí)刊發(fā)了評(píng)論員文章對(duì)該研究作了高度評(píng)價(jià)。
觸覺(jué)作為五感之一,不僅賦予我們感知握手、輕撫、親吻等愉悅性觸碰以維持正常社交行為的能力,而且承擔(dān)著人類能夠熟練使用各種工具譬如觸摸屏手機(jī)或鼠標(biāo)的生物學(xué)基礎(chǔ)。而在組織損傷或炎癥等病理情況下,觸覺(jué)感知功能的異??梢詫?dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)械超敏痛(又稱觸摸痛)。譬如,癌癥或關(guān)節(jié)炎病患者會(huì)經(jīng)常遭遇類似穿衣服或行走等輕微觸碰所帶來(lái)的劇烈疼痛,嚴(yán)重影響個(gè)體健康與生活質(zhì)量。另外,自閉癥患者通常顯示較常人更為敏感的觸覺(jué)感知能力,最近的研究提示這一觸覺(jué)功能的異??赡苁菍?dǎo)致自閉癥的重要病因之一。
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觸覺(jué)感知源于表達(dá)在初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元上的機(jī)械力感知分子受體-機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道對(duì)機(jī)械力刺激的響應(yīng),從而引起細(xì)胞外的陽(yáng)離子例如鈉離子和鈣離子流入細(xì)胞,進(jìn)而誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞興奮和信號(hào)傳遞,最終導(dǎo)致觸覺(jué)的產(chǎn)生。2010年,美國(guó)斯克利普斯研究所的Ardem Patapoutian教授課題組鑒定發(fā)現(xiàn)Piezo基因家族編碼哺乳動(dòng)物機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道的必要成分 (Coste et al., Science 2010)。2012年,在Patapoutian教授課題組從事博士后研究的肖百龍博士與其同事合作在《自然》期刊報(bào)道Piezo蛋白構(gòu)成機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道的核心孔道組成成分,從而首次確立了機(jī)械門(mén)控Piezo通道這一全新離子通道家族類型。
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隨后的研究證明Piezo2介導(dǎo)哺乳動(dòng)物的觸覺(jué)、本體覺(jué)(譬如體位平衡感知)以及內(nèi)臟覺(jué)(譬如肺的收縮擴(kuò)張以及血壓感知和心率調(diào)節(jié))的機(jī)械感知,而Piezo1則被發(fā)現(xiàn)在多種細(xì)胞組織中承擔(dān)機(jī)械力分子受體的功能參與調(diào)控血管及淋巴管發(fā)育、血壓穩(wěn)態(tài)、骨的生成與重塑等諸多功能。Piezo基因的遺傳突變被發(fā)現(xiàn)引起多種人類遺傳疾病,包括紅細(xì)胞干癟綜合癥、淋巴管水腫、遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)攣縮癥、觸覺(jué)缺失癥等。攜帶Piezo2功能缺失型突變的人體不僅表現(xiàn)出觸覺(jué)以及本體感覺(jué)缺陷,且喪失病理狀態(tài)下的機(jī)械超敏痛感知,確證Piezo2通道可以作為開(kāi)發(fā)新型鎮(zhèn)痛藥物的重要靶點(diǎn)。
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肖百龍博士課題組綜合利用生化結(jié)構(gòu)、電生理膜片鉗、高通量藥物篩選、轉(zhuǎn)基因小鼠模型以及人類遺傳學(xué)等多學(xué)科研究手段,聚焦解答機(jī)械門(mén)控Piezo通道如何將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào),以及其如何利用自身機(jī)械敏感性和通道特性來(lái)決定相關(guān)的生理病理功能這兩方面的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,并致力于開(kāi)發(fā)以Piezo通道為靶點(diǎn)的新型藥物及技術(shù)。迄今以通訊作者(含共同)身份在Piezo通道的三維結(jié)構(gòu)解析(Nature 2015, 2018,2019)、分子機(jī)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。
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在最新的這篇《自然》論文中,依托兩個(gè)課題組之前對(duì)Piezo1通道進(jìn)行冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析所建立的技術(shù)體系和研究平臺(tái),研究人員經(jīng)過(guò) 6年多的不懈努力,克服全長(zhǎng)2822個(gè)氨基酸的鼠源Piezo2表達(dá)量極低的困難,通過(guò)對(duì)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(zhì)穩(wěn)定均一的蛋白樣品用于冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集。在結(jié)構(gòu)解析過(guò)程中,由于Piezo蛋白具有極高的柔性,為解析高分辨率結(jié)構(gòu)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。研究人員將Piezo2數(shù)據(jù)顆粒進(jìn)行對(duì)稱性擴(kuò)展,并切割成三個(gè)部分獨(dú)立計(jì)算,得到高分辨的各部分結(jié)構(gòu)后再拼合成完整結(jié)構(gòu),克服了柔性問(wèn)題,最終獲得了整體分辨率為3.6-3.8?的三維結(jié)構(gòu)(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖c, d)。
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研究者們發(fā)現(xiàn),Piezo2通道的整體三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(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(gè)重復(fù)性的結(jié)構(gòu)單元,這一特征性結(jié)構(gòu)單元之前以清華大學(xué)英文縮寫(xiě)命名為T(mén)HU (Transmembrane Helical Unit,跨膜螺旋單元) (圖c, d)。非常有意思的是這9個(gè)THU串聯(lián)組成一個(gè)特殊的非平面的跨膜“槳葉”(Blade)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致三個(gè)槳葉圍合成一個(gè)直徑28 nm而深度10 nm的往細(xì)胞內(nèi)側(cè)凹陷的穹頂狀結(jié)構(gòu)(圖b)。研究者推測(cè)這一穹頂狀Piezo蛋白-細(xì)胞膜系統(tǒng)可能是Piezo通道具有高度機(jī)械敏感性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之一。
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位于中心孔道區(qū)域上方的胞外“帽子”(Cap)結(jié)構(gòu)域完全嵌在穹頂?shù)撞?(圖a, b),而細(xì)胞內(nèi)側(cè)則有一根9 nm長(zhǎng)的長(zhǎng)桿區(qū)結(jié)構(gòu)(Beam)將槳葉的外周端連接到中心孔道的胞內(nèi)部位 (圖a-e)。第38次跨膜螺旋(取名為inner helix,IH)和尾隨的胞內(nèi)羧基端結(jié)構(gòu)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(zhì)區(qū)的狹窄頸部(圖f, g),提示該P(yáng)iezo通道結(jié)構(gòu)處于關(guān)閉態(tài)。Piezo2與Piezo1的結(jié)構(gòu)比較表明,跨膜區(qū)狹窄位點(diǎn)在Piezo2結(jié)構(gòu)中處于完全關(guān)閉狀態(tài),而在Piezo1中則處于開(kāi)放狀態(tài)(圖f, g)。據(jù)此,研究者提出該狹窄位點(diǎn)形成跨膜區(qū)的開(kāi)關(guān)閘門(mén)(TM gate) (圖f, g)。進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析和電生理功能實(shí)驗(yàn)表明該閘門(mén)可能通過(guò)頂端帽子結(jié)構(gòu)域的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制(圖h)。而由于位于胞質(zhì)區(qū)的狹窄頸部(cytosolic constriction neck)在Piezo1和Piezo2結(jié)構(gòu)中都處于關(guān)閉狀態(tài)(圖f, g),因此該位點(diǎn)是否作為另一個(gè)開(kāi)關(guān)閘門(mén)而被槳葉和長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化所控制還有待進(jìn)一步證明。
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a,Piezo2的冷凍電鏡示意圖,其中每一個(gè)亞基用不同的顏色表示;
b,三個(gè)向外扭曲的跨膜槳葉區(qū)圍成的穹頂狀結(jié)構(gòu)示意圖,綠色虛線所標(biāo)記的為跨膜區(qū);
c,含38次跨膜區(qū)的Piezo2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖;
d,Piezo2一個(gè)亞基結(jié)構(gòu)組成展示圖;
e,Piezo2中心孔道模塊區(qū);
f,由IH-CTD圍繞而成的Piezo2與Piezo1的中心孔道區(qū);
g,Piezo2與Piezo1中心孔道區(qū)的半徑分布圖,包含跨膜區(qū)開(kāi)關(guān)閘門(mén)(TM gate)以及胞內(nèi)區(qū)狹窄頸部(Constriction neck);
h,缺失帽子區(qū)的Piezo1與Piezo2突變體缺失機(jī)械刺激誘發(fā)的電流。
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肖百龍博士表示,通過(guò)與李雪明博士課題組的通力合作,從Piezo1到Piezo2結(jié)構(gòu)的解析不僅有力推動(dòng)了對(duì)哺乳動(dòng)物機(jī)械門(mén)控Piezo通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)械門(mén)控機(jī)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(jī)理及其相關(guān)藥物的鑒定發(fā)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。依托其課題組已經(jīng)建立的Piezo通道的全方位研究平臺(tái)和學(xué)術(shù)積累,他們將致力于Piezo通道的藥物發(fā)現(xiàn)與開(kāi)發(fā)工作。
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清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍博士和生命科學(xué)學(xué)院李雪明博士為本論文共同通訊作者。清華大學(xué)藥學(xué)院博士后王莉、生命學(xué)院2015級(jí)博士生周珩、2013級(jí)博士生張明敏及2016級(jí)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(tuán)、趙前程(現(xiàn)耶魯大學(xué)博士后)、李祎然也參與了部分研究工作。清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的雷建林博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。
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本研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0500402,2016YFA0501102,2016YFA0501902)、國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金以及重點(diǎn)項(xiàng)目(31825014, 31630090,31570730)、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心以及生物膜國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助,同時(shí)得到了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)以及國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心(北京)的支持。
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?原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1505-8.pdf
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