最新研究成果 | 肖百龍研究組在《自然•通訊》期刊報(bào)導(dǎo)機(jī)械門控Piezo1離子通道的小分子激動(dòng)劑以及其激活機(jī)制
時(shí)間：2021-04-09 00:45:08學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
? ? ? ?2018年4月3日，《自然?通訊》(Nature Communications)?期刊在線發(fā)表了肖百龍研究組題為《機(jī)械門控Piezo1離子通道利用一條類似杠桿傳遞通路進(jìn)行長(zhǎng)程化合物及機(jī)械門控》(A lever-like transduction pathway for long-distance chemical- and mechano-gating of the mechanosensitive Piezo1 channel)?的研究長(zhǎng)文，報(bào)導(dǎo)了Piezo1通道的一類新型小分子化合物激動(dòng)劑以及其激活Piezo1通道的分子作用機(jī)制。該研究不僅推動(dòng)了對(duì)Piezo通道的藥理學(xué)與分子機(jī)制的理解，也為進(jìn)一步開發(fā)基于Piezo通道的小分子藥物提供了研究方法和思路。
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? ? ? ?機(jī)械門控Piezo通道是在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的首類機(jī)械門控非選擇性陽離子通道。作為位于細(xì)胞膜上的機(jī)械力受體，其能夠被擠壓、牽張以及流體剪切力等不同形式的機(jī)械力所激活而引起陽離子進(jìn)出細(xì)胞，進(jìn)而誘發(fā)細(xì)胞興奮以及進(jìn)行信號(hào)傳遞 (Coste et al., Science 2010；Coste and Xiao et al, Nature 2012)。哺乳動(dòng)物Piezo通道家族包含Piezo1和Piezo2兩個(gè)成員。Piezo1在體內(nèi)多種細(xì)胞組織中有表達(dá)，被證實(shí)參與血管發(fā)育與重塑、血壓調(diào)節(jié)、紅細(xì)胞體積調(diào)控以及上皮細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)等重要生理功能；而表達(dá)在初級(jí)感覺神經(jīng)細(xì)胞中的Piezo2被證實(shí)承擔(dān)著觸覺和本體感受中的分子受體的功能。人類Piezo1基因突變引起遺傳性干癟紅細(xì)胞增多癥、淋巴管發(fā)育不良等病癥，而Piezo2基因突變導(dǎo)致遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)彎曲綜合癥及觸覺感知缺陷等。因此，Piezo通道具有非常重要的生理、病理功能，也是重要的藥物靶點(diǎn)。
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? ? ? ?肖百龍博士研究組致力于對(duì)Piezo通道進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究并取得了系列 重要研究進(jìn)展。其研究組于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)科學(xué)頂級(jí)期刊《神經(jīng)元》(Neuron) 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通道以類似杠桿作用原理進(jìn)行機(jī)械門控的精巧工作機(jī)制。
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? ? ? ?在最新的這篇《自然?通訊》論文中，針對(duì) Piezo通道缺乏藥理學(xué)工具分子這一問題，其研究組首先利用高通量藥物篩選的方法鑒定發(fā)現(xiàn)了Piezo1通道的兩個(gè)小分子化合物激動(dòng)劑，取名為Jedi。利用Jedi做為工具分子并結(jié)合電生理膜片鉗技術(shù)、Piezo通道的突變體的構(gòu)建和功能檢測(cè)、以及表面等離子共振技術(shù)進(jìn)行蛋白和藥物結(jié)合檢測(cè)，他們發(fā)現(xiàn)Jedi結(jié)合在Piezo1通道外周槳葉（Blade）的胞外部分。非常有意思的是Jedi與Piezo1結(jié)合后會(huì)利用Piezo1關(guān)鍵機(jī)械傳感元件，包括胞外loop區(qū)域L15-16和L19-20以及胞內(nèi)的長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)（Beam）上的L1342和L1345兩個(gè)氨基酸位點(diǎn)，來遠(yuǎn)距離激活位于中心的負(fù)責(zé)離子通透的孔道區(qū)（圖A-C）。
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? ? ? ?基于其研究結(jié)果，他們提出了Piezo通道利用杠杠原理進(jìn)行遠(yuǎn)程化合物與機(jī)械門控的作用機(jī)制假說（圖A，B），他們認(rèn)為Piezo1通道利用由9個(gè)THU組成的Blade作為機(jī)械力感受器,而其Beam結(jié)構(gòu)以L1342/L1345所在位點(diǎn)作為支點(diǎn)形成分子內(nèi)杠桿傳遞裝置，從而將外周THU所感知的細(xì)微機(jī)械力或小分子化合物結(jié)合（F1，藍(lán)色虛線箭頭）有效傳遞并放大到用于控制中心孔道區(qū)開放的作用力（F2，紅色虛線箭頭），從而有效控制其通道的開放和選擇性陽離子通透（圖B，C）。這一分子內(nèi)信號(hào)傳遞通路與機(jī)制的揭示為后續(xù)開發(fā)Piezo1通道的小分子藥物提供了重要線索。
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? ? ? ?機(jī)械門控Piezo通道是在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的首類機(jī)械門控非選擇性陽離子通道。作為位于細(xì)胞膜上的機(jī)械力受體，其能夠被擠壓、牽張以及流體剪切力等不同形式的機(jī)械力所激活而引起陽離子進(jìn)出細(xì)胞，進(jìn)而誘發(fā)細(xì)胞興奮以及進(jìn)行信號(hào)傳遞 (Coste et al., Science 2010；Coste and Xiao et al, Nature 2012)。哺乳動(dòng)物Piezo通道家族包含Piezo1和Piezo2兩個(gè)成員。Piezo1在體內(nèi)多種細(xì)胞組織中有表達(dá)，被證實(shí)參與血管發(fā)育與重塑、血壓調(diào)節(jié)、紅細(xì)胞體積調(diào)控以及上皮細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)等重要生理功能；而表達(dá)在初級(jí)感覺神經(jīng)細(xì)胞中的Piezo2被證實(shí)承擔(dān)著觸覺和本體感受中的分子受體的功能。人類Piezo1基因突變引起遺傳性干癟紅細(xì)胞增多癥、淋巴管發(fā)育不良等病癥，而Piezo2基因突變導(dǎo)致遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)彎曲綜合癥及觸覺感知缺陷等。因此，Piezo通道具有非常重要的生理、病理功能，也是重要的藥物靶點(diǎn)。
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? ? ? ?肖百龍博士研究組致力于對(duì)Piezo通道進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究并取得了系列 重要研究進(jìn)展。其研究組于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)科學(xué)頂級(jí)期刊《神經(jīng)元》(Neuron) 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通道以類似杠桿作用原理進(jìn)行機(jī)械門控的精巧工作機(jī)制。
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? ? ? ?在最新的這篇《自然?通訊》論文中，針對(duì) Piezo通道缺乏藥理學(xué)工具分子這一問題，其研究組首先利用高通量藥物篩選的方法鑒定發(fā)現(xiàn)了Piezo1通道的兩個(gè)小分子化合物激動(dòng)劑，取名為Jedi。利用Jedi做為工具分子并結(jié)合電生理膜片鉗技術(shù)、Piezo通道的突變體的構(gòu)建和功能檢測(cè)、以及表面等離子共振技術(shù)進(jìn)行蛋白和藥物結(jié)合檢測(cè)，他們發(fā)現(xiàn)Jedi結(jié)合在Piezo1通道外周槳葉（Blade）的胞外部分。非常有意思的是Jedi與Piezo1結(jié)合后會(huì)利用Piezo1關(guān)鍵機(jī)械傳感元件，包括胞外loop區(qū)域L15-16和L19-20以及胞內(nèi)的長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)（Beam）上的L1342和L1345兩個(gè)氨基酸位點(diǎn)，來遠(yuǎn)距離激活位于中心的負(fù)責(zé)離子通透的孔道區(qū)（圖A-C）。
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? ? ? ?基于其研究結(jié)果，他們提出了Piezo通道利用杠杠原理進(jìn)行遠(yuǎn)程化合物與機(jī)械門控的作用機(jī)制假說（圖A，B），他們認(rèn)為Piezo1通道利用由9個(gè)THU組成的Blade作為機(jī)械力感受器,而其Beam結(jié)構(gòu)以L1342/L1345所在位點(diǎn)作為支點(diǎn)形成分子內(nèi)杠桿傳遞裝置，從而將外周THU所感知的細(xì)微機(jī)械力或小分子化合物結(jié)合（F1，藍(lán)色虛線箭頭）有效傳遞并放大到用于控制中心孔道區(qū)開放的作用力（F2，紅色虛線箭頭），從而有效控制其通道的開放和選擇性陽離子通透（圖B，C）。這一分子內(nèi)信號(hào)傳遞通路與機(jī)制的揭示為后續(xù)開發(fā)Piezo1通道的小分子藥物提供了重要線索。
Piezo1通道利用杠桿原理進(jìn)行化合物（Jedi）或機(jī)械門控的作用機(jī)制示意圖。（A，B）由9個(gè)重復(fù)性的、以4次跨膜區(qū)為基礎(chǔ)的跨膜螺旋單元(THU)所組成的38次跨膜區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖（A）及結(jié)構(gòu)組成展示圖（B）。（C）Piezo1通道的三聚體三葉螺旋槳狀結(jié)構(gòu)。參與機(jī)械力及Piezo1激動(dòng)劑（Jedi）感受與傳遞的關(guān)鍵功能位點(diǎn)1-3組成分子內(nèi)杠桿傳遞裝置，從而將外周THU所感知的細(xì)微機(jī)械力或小分子化合物Jedi結(jié)合（F1，藍(lán)色虛線箭頭）有效傳遞并放大到用于控制中心孔道區(qū)開放的作用力（F2，紅色虛線箭頭），從而有效控制其通道的開放和選擇性陽離子通透（圖B，C）。
? ? ? ?肖百龍研究組2013級(jí)生命學(xué)院CLS項(xiàng)目的博士研究生王燕峰和2016級(jí)藥學(xué)院博士研究生池少鵬為本文并列第一作者，肖百龍研究員為本文通訊作者。藥學(xué)院的何偉、祖連鎖、饒燏及唐葉峰研究組提供了化合物文庫進(jìn)行篩選，郭會(huì)芳博士及祖連鎖研究組的李廣博士開展了Piezo1激動(dòng)劑的合成。肖百龍研究組的王莉及趙前程博士也參與了該論文部分研究工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部科研項(xiàng)目(31630090, 2016YFA0500402, 2015CB910102, 31422027, 31371118)、國(guó)家青年千人計(jì)劃以及清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助，同時(shí)也得到了北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)中心高通量熒光鈣成像平臺(tái)、清華大學(xué)藥物篩選平臺(tái)及生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心蛋白質(zhì)化學(xué)平臺(tái)的技術(shù)支持。
? ? ? ?肖百龍研究組2013級(jí)生命學(xué)院CLS項(xiàng)目的博士研究生王燕峰和2016級(jí)藥學(xué)院博士研究生池少鵬為本文并列第一作者，肖百龍研究員為本文通訊作者。藥學(xué)院的何偉、祖連鎖、饒燏及唐葉峰研究組提供了化合物文庫進(jìn)行篩選，郭會(huì)芳博士及祖連鎖研究組的李廣博士開展了Piezo1激動(dòng)劑的合成。肖百龍研究組的王莉及趙前程博士也參與了該論文部分研究工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部科研項(xiàng)目(31630090, 2016YFA0500402, 2015CB910102, 31422027, 31371118)、國(guó)家青年千人計(jì)劃以及清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助，同時(shí)也得到了北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)中心高通量熒光鈣成像平臺(tái)、清華大學(xué)藥物篩選平臺(tái)及生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心蛋白質(zhì)化學(xué)平臺(tái)的技術(shù)支持。
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