最新研究成果 | 清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍課題組發(fā)表研究論文揭示機(jī)械門(mén)控Piezo通道在小鼠軀體感覺(jué)系統(tǒng)機(jī)械力感知中的重要功能
時(shí)間：2021-04-09 00:40:01學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
當(dāng)不小心砸到手時(shí)，我們會(huì)下意識(shí)的輕輕吹吹傷口，就會(huì)帶來(lái)疼痛的有效緩解。為什么會(huì)這樣呢？清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍課題組的最新研究為此現(xiàn)象提供了解釋。相關(guān)研究成果于 2019年2月5日以封面論文發(fā)表在Cell Reports期刊，論文題目為“機(jī)械門(mén)控Piezo通道介導(dǎo)小鼠的觸碰而抑制其機(jī)械疼痛感知”(Mechanically activated Piezo channels mediate touch and suppress acute mechanical pain response in mice) 。
機(jī)械力感受是我們的軀體感覺(jué)系統(tǒng)中最為復(fù)雜精細(xì)的一類(lèi)感知功能 。它使我們能夠感受發(fā)絲拂動(dòng)、輕壓、輕捏、震動(dòng)、牽張、愉悅性輕微觸碰（譬如握手、親吻）、疼痛性強(qiáng)力敲擊等諸多形式的機(jī)械力刺激以維持機(jī)體正常功能乃至存活，也承擔(dān)著人類(lèi)能夠熟練使用各種勞動(dòng)工具和通信工具（譬如觸摸屏手機(jī)）的生物學(xué)基礎(chǔ)。而在組織損傷或炎癥等病理情況下，機(jī)械力感受機(jī)制的異常可以導(dǎo)致長(zhǎng)期慢性機(jī)械力超敏痛，嚴(yán)重影響個(gè)體健康與生活質(zhì)量。譬如，癌癥或關(guān)節(jié)炎病患者會(huì)經(jīng)常遭遇類(lèi)似穿衣服或行走等輕微機(jī)械力刺激所帶來(lái)的嚴(yán)重疼痛。然而，哺乳動(dòng)物機(jī)械力感知的分子細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)尚未被全面解析。
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哺乳動(dòng)物通過(guò)特化的外周初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元，譬如背根神經(jīng)節(jié)（DRG）神經(jīng)元，來(lái)感知各種不同形式的機(jī)械力。DRG神經(jīng)元外周端分布于皮膚、肌肉以及內(nèi)臟器官，并表達(dá)能快速響應(yīng)機(jī)械力刺激而引起鈣、鈉等陽(yáng)離子流進(jìn)到細(xì)胞內(nèi)的機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道蛋白。這類(lèi)通道作為機(jī)械力分子受體將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為DRG神經(jīng)元的電化學(xué)信號(hào)，最終在我們的大腦形成不同形式的機(jī)械力感知，包括非傷害性的輕微觸覺(jué)、本體感知和內(nèi)臟器官感知（譬如呼吸與血壓）以及傷害性的機(jī)械疼痛感知（譬如被錘子砸到手）。
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科學(xué)家們?cè)?0-80%的大鼠DRG神經(jīng)元中能記錄到機(jī)械敏感電流，并根據(jù)其電流失活快慢，將它們分成快速失活，中速失活和慢速失活的幾種不同形式。有研究提出不同形式的機(jī)械敏感電流可能介導(dǎo)不同形式的機(jī)械力感知，認(rèn)為快速失活電流介導(dǎo)輕微觸碰，而中速或慢性失活的電流可能介導(dǎo)傷害性機(jī)械疼痛。科學(xué)家們致力于鑒定發(fā)現(xiàn)介導(dǎo)這些不同形式的機(jī)械敏感電流的機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道并研究他們?cè)诓煌问綑C(jī)械力感知中的作用。
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直到2010年，美國(guó)的Scripps研究所的Ardem Patapoutian博士課題組首次發(fā)現(xiàn)Piezo1和Piezo2作為哺乳動(dòng)物機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道的充分與必要組成部分，隨后2012年肖百龍研究員以博士后的身份與其同事在Patapoutian實(shí)驗(yàn)室證明Piezo蛋白作為機(jī)械門(mén)控通道的核心孔道部分，從而確立了機(jī)械門(mén)控Piezo通道這類(lèi)在哺乳動(dòng)物中鑒定發(fā)現(xiàn)的首類(lèi)機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道家族。
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后續(xù)的研究證明Piezo1和Piezo2通道有著非常重要的生理病理功能。Piezo1介導(dǎo)的電流顯示中速失活的特征，主要表達(dá)在血管和淋巴管系統(tǒng)，參與血管及淋巴管發(fā)育、血壓調(diào)控、以及紅細(xì)胞體積調(diào)控。而Piezo2主要表達(dá)在初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元并介導(dǎo)DRG神經(jīng)元中快失活機(jī)械敏感電流，在軀體感覺(jué)系統(tǒng)中的機(jī)械力感知方面發(fā)揮著重要作用，包括在一些低閾值機(jī)械力敏感的DRG神經(jīng)元和一類(lèi)特化的Merkel皮膚細(xì)胞中參與輕微觸碰感知，在支配肌梭和高爾基腱的神經(jīng)元中參與本體感受，在支配肺的感覺(jué)神經(jīng)元中控制著呼吸，在支配主動(dòng)脈弓上的壓力感受器中參與血壓感知和心率調(diào)控。最近的研究顯示Piezo2還介導(dǎo)病理情況下的機(jī)械力超敏痛，提示Piezo2可以作為抑制機(jī)械超敏痛的藥物靶點(diǎn)。
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肖百龍博士研究組致力于探究機(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Piezo通道如何利用其機(jī)械敏感性和陽(yáng)離子通道特性決定其生理病理功能，并于近年來(lái)取得了系列重要研究進(jìn)展：
在最新發(fā)表的這篇研究論文中，針對(duì)Piezo2 通道在急性機(jī)械疼痛中的作用不明確，以及其它形式的機(jī)械敏感電流是否如推測(cè)確實(shí)介導(dǎo)不同形式的機(jī)械力感受這兩個(gè)問(wèn)題，他們利用細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)基因小鼠和系列行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Piezo通道特異性介導(dǎo)輕微觸碰和本體感知，而間接抑制機(jī)械疼痛。
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當(dāng)在一部分DRG神經(jīng)元中敲除Piezo2，他們發(fā)現(xiàn)Piezo2敲除小鼠(圖中Piezo2cKO組)出現(xiàn)輕微觸碰和本體感受缺陷。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果和之前的報(bào)道一致，證實(shí)Piezo2通道確實(shí)承擔(dān)哺乳動(dòng)物觸碰和本體感受器的功能。然而非常有意思的是，他們還發(fā)現(xiàn)Piezo2敲除小表現(xiàn)出機(jī)械疼痛增強(qiáng)的現(xiàn)象，提示Piezo2通道所介導(dǎo)的觸碰感知可能間接抑制機(jī)械疼痛。
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為進(jìn)一步研究不同特性的機(jī)械敏感電流在DRG神經(jīng)元中是否介導(dǎo)不同的機(jī)械力感覺(jué)，他們基于Piezo1通道的中速失活電流特性以及其在DRG神經(jīng)元中缺乏內(nèi)源性表達(dá)，構(gòu)建了細(xì)胞特異性的Piezo1過(guò)表達(dá)小鼠。當(dāng)在小鼠的DRG神經(jīng)元中敲除Piezo2的同時(shí)，選擇性過(guò)表達(dá)Piezo1(圖中Piezo2cKO／Piezo1-TGAdv1組)，他們發(fā)現(xiàn)敲除Piezo2所造成的小鼠在輕微觸碰和本體感受方面的缺陷能夠被Piezo1的過(guò)表達(dá)所恢復(fù)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明Piezo1雖然有和Piezo2不同的通道特性，其能夠替換Piezo2所介導(dǎo)的觸碰和本體感知功能。
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另外，他們發(fā)現(xiàn)在野生型小鼠DRG中特異性的過(guò)表達(dá)Piezo1(圖中 Piezo1-TG組)能夠增強(qiáng)小鼠的輕微觸碰感受。出乎意料的是，Piezo1過(guò)表達(dá)小鼠的機(jī)械疼痛不但沒(méi)有增強(qiáng)，相反是減弱了。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明具有中速失活的機(jī)械門(mén)控電流并不如之前所推測(cè)的能充分介導(dǎo)機(jī)械疼痛。
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基于他們所發(fā)現(xiàn)的Piezo2通道能充分介導(dǎo)小鼠的輕微觸碰和本體感知能力，而間接抑制機(jī)械疼痛，肖百龍博士認(rèn)為開(kāi)發(fā)Piezo2通道的激動(dòng)劑有可能在增加輕微觸碰所帶來(lái)的愉悅的同時(shí)，而抑制疼痛感知。
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?????? 肖百龍博士為本文的通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院PTN項(xiàng)目博士生張明敏為文章第一作者，已畢業(yè)博士生王燕峰，博士后耿潔和藥學(xué)院本科生周姝琴也參與了該工作。本課題受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31371118， 31825014， 31630090以及31422027），國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2015CB0102以及2016YFA0500402），國(guó)家青年千人計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、生物膜國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、以及清華大學(xué)IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30085-3
機(jī)械力感受是我們的軀體感覺(jué)系統(tǒng)中最為復(fù)雜精細(xì)的一類(lèi)感知功能 。它使我們能夠感受發(fā)絲拂動(dòng)、輕壓、輕捏、震動(dòng)、牽張、愉悅性輕微觸碰（譬如握手、親吻）、疼痛性強(qiáng)力敲擊等諸多形式的機(jī)械力刺激以維持機(jī)體正常功能乃至存活，也承擔(dān)著人類(lèi)能夠熟練使用各種勞動(dòng)工具和通信工具（譬如觸摸屏手機(jī)）的生物學(xué)基礎(chǔ)。而在組織損傷或炎癥等病理情況下，機(jī)械力感受機(jī)制的異常可以導(dǎo)致長(zhǎng)期慢性機(jī)械力超敏痛，嚴(yán)重影響個(gè)體健康與生活質(zhì)量。譬如，癌癥或關(guān)節(jié)炎病患者會(huì)經(jīng)常遭遇類(lèi)似穿衣服或行走等輕微機(jī)械力刺激所帶來(lái)的嚴(yán)重疼痛。然而，哺乳動(dòng)物機(jī)械力感知的分子細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)尚未被全面解析。
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哺乳動(dòng)物通過(guò)特化的外周初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元，譬如背根神經(jīng)節(jié)（DRG）神經(jīng)元，來(lái)感知各種不同形式的機(jī)械力。DRG神經(jīng)元外周端分布于皮膚、肌肉以及內(nèi)臟器官，并表達(dá)能快速響應(yīng)機(jī)械力刺激而引起鈣、鈉等陽(yáng)離子流進(jìn)到細(xì)胞內(nèi)的機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道蛋白。這類(lèi)通道作為機(jī)械力分子受體將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為DRG神經(jīng)元的電化學(xué)信號(hào)，最終在我們的大腦形成不同形式的機(jī)械力感知，包括非傷害性的輕微觸覺(jué)、本體感知和內(nèi)臟器官感知（譬如呼吸與血壓）以及傷害性的機(jī)械疼痛感知（譬如被錘子砸到手）。
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科學(xué)家們?cè)?0-80%的大鼠DRG神經(jīng)元中能記錄到機(jī)械敏感電流，并根據(jù)其電流失活快慢，將它們分成快速失活，中速失活和慢速失活的幾種不同形式。有研究提出不同形式的機(jī)械敏感電流可能介導(dǎo)不同形式的機(jī)械力感知，認(rèn)為快速失活電流介導(dǎo)輕微觸碰，而中速或慢性失活的電流可能介導(dǎo)傷害性機(jī)械疼痛。科學(xué)家們致力于鑒定發(fā)現(xiàn)介導(dǎo)這些不同形式的機(jī)械敏感電流的機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道并研究他們?cè)诓煌问綑C(jī)械力感知中的作用。
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直到2010年，美國(guó)的Scripps研究所的Ardem Patapoutian博士課題組首次發(fā)現(xiàn)Piezo1和Piezo2作為哺乳動(dòng)物機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道的充分與必要組成部分，隨后2012年肖百龍研究員以博士后的身份與其同事在Patapoutian實(shí)驗(yàn)室證明Piezo蛋白作為機(jī)械門(mén)控通道的核心孔道部分，從而確立了機(jī)械門(mén)控Piezo通道這類(lèi)在哺乳動(dòng)物中鑒定發(fā)現(xiàn)的首類(lèi)機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道家族。
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后續(xù)的研究證明Piezo1和Piezo2通道有著非常重要的生理病理功能。Piezo1介導(dǎo)的電流顯示中速失活的特征，主要表達(dá)在血管和淋巴管系統(tǒng)，參與血管及淋巴管發(fā)育、血壓調(diào)控、以及紅細(xì)胞體積調(diào)控。而Piezo2主要表達(dá)在初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元并介導(dǎo)DRG神經(jīng)元中快失活機(jī)械敏感電流，在軀體感覺(jué)系統(tǒng)中的機(jī)械力感知方面發(fā)揮著重要作用，包括在一些低閾值機(jī)械力敏感的DRG神經(jīng)元和一類(lèi)特化的Merkel皮膚細(xì)胞中參與輕微觸碰感知，在支配肌梭和高爾基腱的神經(jīng)元中參與本體感受，在支配肺的感覺(jué)神經(jīng)元中控制著呼吸，在支配主動(dòng)脈弓上的壓力感受器中參與血壓感知和心率調(diào)控。最近的研究顯示Piezo2還介導(dǎo)病理情況下的機(jī)械力超敏痛，提示Piezo2可以作為抑制機(jī)械超敏痛的藥物靶點(diǎn)。
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肖百龍博士研究組致力于探究機(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Piezo通道如何利用其機(jī)械敏感性和陽(yáng)離子通道特性決定其生理病理功能，并于近年來(lái)取得了系列重要研究進(jìn)展：
- 2015年合作在《自然》期刊率先報(bào)道了Piezo1通道中等分辨率的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)，揭示了其三葉螺旋槳狀三維構(gòu)造特征；
- 2016年在《神經(jīng)元》報(bào)道了Piezo1通道負(fù)責(zé)離子通透與選擇性的孔道區(qū)模塊以及負(fù)責(zé)機(jī)械力感受與傳導(dǎo)的機(jī)械傳感模塊；
- 2017年在《自然·通訊》報(bào)道Piezo通道的新型調(diào)控蛋白SERCA并闡明了其對(duì)Piezo通道活性調(diào)控的作用機(jī)；
- 2018年合作在《自然》期刊報(bào)道 Piezo1通道的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，揭示了其參與機(jī)械力感受與傳遞的的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及關(guān)鍵功能位點(diǎn)，進(jìn)而首次提出了Piezo通道以類(lèi)似杠桿作用原理進(jìn)行機(jī)械門(mén)控的精巧工作機(jī)制；
- 2018年在《自然·通訊》報(bào)道Piezo通道的小分子激動(dòng)劑并揭示其作用機(jī)制。
在最新發(fā)表的這篇研究論文中，針對(duì)Piezo2 通道在急性機(jī)械疼痛中的作用不明確，以及其它形式的機(jī)械敏感電流是否如推測(cè)確實(shí)介導(dǎo)不同形式的機(jī)械力感受這兩個(gè)問(wèn)題，他們利用細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)基因小鼠和系列行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Piezo通道特異性介導(dǎo)輕微觸碰和本體感知，而間接抑制機(jī)械疼痛。
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當(dāng)在一部分DRG神經(jīng)元中敲除Piezo2，他們發(fā)現(xiàn)Piezo2敲除小鼠(圖中Piezo2cKO組)出現(xiàn)輕微觸碰和本體感受缺陷。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果和之前的報(bào)道一致，證實(shí)Piezo2通道確實(shí)承擔(dān)哺乳動(dòng)物觸碰和本體感受器的功能。然而非常有意思的是，他們還發(fā)現(xiàn)Piezo2敲除小表現(xiàn)出機(jī)械疼痛增強(qiáng)的現(xiàn)象，提示Piezo2通道所介導(dǎo)的觸碰感知可能間接抑制機(jī)械疼痛。
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為進(jìn)一步研究不同特性的機(jī)械敏感電流在DRG神經(jīng)元中是否介導(dǎo)不同的機(jī)械力感覺(jué)，他們基于Piezo1通道的中速失活電流特性以及其在DRG神經(jīng)元中缺乏內(nèi)源性表達(dá)，構(gòu)建了細(xì)胞特異性的Piezo1過(guò)表達(dá)小鼠。當(dāng)在小鼠的DRG神經(jīng)元中敲除Piezo2的同時(shí)，選擇性過(guò)表達(dá)Piezo1(圖中Piezo2cKO／Piezo1-TGAdv1組)，他們發(fā)現(xiàn)敲除Piezo2所造成的小鼠在輕微觸碰和本體感受方面的缺陷能夠被Piezo1的過(guò)表達(dá)所恢復(fù)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明Piezo1雖然有和Piezo2不同的通道特性，其能夠替換Piezo2所介導(dǎo)的觸碰和本體感知功能。
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另外，他們發(fā)現(xiàn)在野生型小鼠DRG中特異性的過(guò)表達(dá)Piezo1(圖中 Piezo1-TG組)能夠增強(qiáng)小鼠的輕微觸碰感受。出乎意料的是，Piezo1過(guò)表達(dá)小鼠的機(jī)械疼痛不但沒(méi)有增強(qiáng)，相反是減弱了。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明具有中速失活的機(jī)械門(mén)控電流并不如之前所推測(cè)的能充分介導(dǎo)機(jī)械疼痛。
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基于他們所發(fā)現(xiàn)的Piezo2通道能充分介導(dǎo)小鼠的輕微觸碰和本體感知能力，而間接抑制機(jī)械疼痛，肖百龍博士認(rèn)為開(kāi)發(fā)Piezo2通道的激動(dòng)劑有可能在增加輕微觸碰所帶來(lái)的愉悅的同時(shí)，而抑制疼痛感知。
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?????? 肖百龍博士為本文的通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院PTN項(xiàng)目博士生張明敏為文章第一作者，已畢業(yè)博士生王燕峰，博士后耿潔和藥學(xué)院本科生周姝琴也參與了該工作。本課題受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31371118， 31825014， 31630090以及31422027），國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2015CB0102以及2016YFA0500402），國(guó)家青年千人計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、生物膜國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、以及清華大學(xué)IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院的資助。
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