清華藥學(xué)院肖百龍與生命學(xué)院李雪明課題組合作發(fā)文
揭示細(xì)胞“感知”機(jī)械力的精巧分子機(jī)器結(jié)構(gòu)與機(jī)制
清華新聞網(wǎng)1月24日電 1月22日，《自然》期刊在線發(fā)表了清華大學(xué)肖百龍與李雪明課題組合作撰寫的《Piezo1離子通道的結(jié)構(gòu)與機(jī)械門控機(jī)制》（Structure and Mechanogating Mechanism of the Piezo1 Channel）研究論文。論文解析了哺乳動(dòng)物機(jī)械門控Piezo1離子通道的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，揭示了其參與機(jī)械力感受與傳遞的關(guān)鍵功能位點(diǎn)，進(jìn)而首次提出了Piezo通道以類似杠桿原理進(jìn)行機(jī)械門控的精巧工作機(jī)制。該研究對(duì)理解生物機(jī)體如何將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)這一基本生命過(guò)程具有重要意義。
機(jī)械門控陽(yáng)離子通道是一類能夠響應(yīng)機(jī)械力刺激而引起陽(yáng)離子進(jìn)出細(xì)胞、進(jìn)而誘發(fā)細(xì)胞興奮和信號(hào)傳遞的一類重要離子通道，但在哺乳動(dòng)物的分子組成中長(zhǎng)期未被發(fā)現(xiàn)確定。直到2010年，Piezo基因家族包括Piezo1和Piezo2兩個(gè)基因被編碼為該類通道的必要組成成分 (Coste et al., Science 2010)。2012年，肖百龍博士與同事合作在《自然》期刊報(bào)道Piezo蛋白構(gòu)成機(jī)械門控通道的孔道組成成分，從而首次確立了Piezo通道這一全新機(jī)械門控離子通道家族。該論文被湯森路透收錄為高被引論文。
Piezo通道作為機(jī)械力受體能夠被擠壓、牽張及被流體剪切力等不同形式的機(jī)械力所激活。表達(dá)在血管內(nèi)皮細(xì)胞中的Piezo1被證實(shí)作為剪切力受體感知血流，從而控制血管發(fā)育及進(jìn)行血壓調(diào)節(jié)。而表達(dá)在感覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞中的Piezo2被證實(shí)承擔(dān)觸碰及本體感知分子受體的功能。Piezo1基因人類遺傳突變，會(huì)引發(fā)干癟紅細(xì)胞增多癥、淋巴管發(fā)育不良癥；而Piezo2基因突變，則會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)彎曲綜合癥及觸碰感知缺陷。因此，Piezo通道具有非常重要的生理、病理功能，也是重要的藥物靶點(diǎn)。
肖百龍博士課題組長(zhǎng)期致力于對(duì)Piezo通道進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，取得了一系列重要的研究成果。2015年，肖百龍課題組合作在《自然》期刊率先報(bào)道了Piezo1通道中等分辨率冷凍電鏡三維結(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)重要期刊《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》期刊報(bào)道Piezo通道的新型調(diào)控蛋白心肌肌漿網(wǎng)Ca2+-ATP酶（SERCA），并闡明了其對(duì)Piezo通道活性調(diào)控的作用機(jī)制。然而，Piezo通道的高分辨率三維結(jié)構(gòu)及其如何感知機(jī)械力并精準(zhǔn)控制陽(yáng)離子特異性通透的分子機(jī)制尚不清楚。
a，Piezo1通道的三聚體冷凍電鏡示意圖；b，由38次跨膜區(qū)組成的Piezo1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖； c，Piezo1一個(gè)亞基細(xì)節(jié)組成展示圖；d, Piezo1成孔區(qū)的組成。參與機(jī)械力激活Piezo1的胞外loop區(qū)以及位于beam上的L1342與L1345位點(diǎn)顯示在b及c圖。
在最新的這篇《自然》論文中，研究人員首先結(jié)合蛋白表達(dá)純化、單顆粒冷凍電鏡及三維重構(gòu)技術(shù)，經(jīng)過(guò)兩年多的不懈努力，克服Piezo1通道三維結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，最終成功解析出其高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了其獨(dú)特而精巧的構(gòu)造特征以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域的氨基酸組成。Piezo1通道整體呈現(xiàn)三聚體三葉螺旋槳狀結(jié)構(gòu) (圖a)，其中心為控制離子通透的孔道部分，包含“帽子”結(jié)構(gòu)域（Cap）、IH 與OH組成的跨膜孔道以及胞內(nèi)羧基端部分（CTD）所組成的三個(gè)側(cè)向離子出口（portals）(圖d)。其外周特征性結(jié)構(gòu)域包括“槳葉”（blade）、“長(zhǎng)桿”（beam）以及“錨定區(qū)”（anchor）(圖a-c)。
研究者們發(fā)現(xiàn)，Piezo1通道三維結(jié)構(gòu)的槳葉部分由共9個(gè)重復(fù)性的、以4次跨膜區(qū)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元串聯(lián)而成，并把這一特征性結(jié)構(gòu)域以清華大學(xué)英文縮寫命名為THU (Transmembrane Helical Unit，跨膜螺旋單位)。據(jù)此，Piezo1蛋白以每個(gè)亞基包含38次跨膜區(qū)、總計(jì)114次跨膜區(qū)的形式組裝成目前已知的跨膜次數(shù)最多的一類膜蛋白復(fù)合物 (圖b-c)。而且，不同于其它離子通道類型，Piezo1通道的跨膜區(qū)以大曲度、而非平面形式存在。研究者認(rèn)為，這可能是Piezo通道能有效感知細(xì)胞膜張力變化的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之一。
3根長(zhǎng)約90埃的長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)將遠(yuǎn)端槳葉區(qū)連接到中心孔道區(qū)部分(圖b-c)。通過(guò)對(duì)所獲得的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的三維分類比較分析發(fā)現(xiàn)，外周槳葉及“長(zhǎng)桿”的遠(yuǎn)端部分存在劇烈的構(gòu)像變化，而中心孔道區(qū)及“長(zhǎng)桿”的中心端部分只顯示輕微的位移變化。Piezo1結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化契合杠桿作用原理。因此，研究者們提出了Piezo1通道以外周跨膜螺旋單位（THU）作為機(jī)械力感受器、而“長(zhǎng)桿”作為機(jī)械傳遞裝置，從而完成其精細(xì)機(jī)械力感知與傳遞的機(jī)械門控機(jī)制假說(shuō)。
為了從功能上驗(yàn)證這一假說(shuō)，利用生化和電生理實(shí)驗(yàn)，研究者們鑒定發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)端跨膜螺旋單位胞外區(qū)以及位于“長(zhǎng)桿”上靠近中心端的兩個(gè)氨基酸L1342/L1345對(duì)于Piezo1通道的機(jī)械力激活非常重要。據(jù)此，他們首次提出“長(zhǎng)桿”可能形成以L1342/L1345為支點(diǎn)的杠桿結(jié)構(gòu)(圖b-c)，將位于其長(zhǎng)臂端的漿葉區(qū)大的構(gòu)象變化轉(zhuǎn)化成位于其短臂端的中心孔道區(qū)的相對(duì)細(xì)微構(gòu)象變化，從而在進(jìn)行機(jī)械力的傳遞和放大的同時(shí)，保證中心孔道陽(yáng)離子的特異性通透。三套精細(xì)的杠桿傳遞裝置進(jìn)一步組裝成一個(gè)復(fù)雜而有序的三聚體螺旋槳狀結(jié)構(gòu)來(lái)行駛其機(jī)械門控通道的功能。
肖百龍博士表示，以上研究進(jìn)展為下一步深入理解遺傳突變?nèi)绾螌?dǎo)致Piezo通道功能失常并引起人類疾病、藥物篩選與技術(shù)開發(fā)提供了重要線索。
清華大學(xué)肖百龍和李雪明博士為本論文共同通訊作者。肖百龍課題組趙前程博士、生命學(xué)院2015級(jí)博士生周珩、藥學(xué)院2016級(jí)博士生池少鵬及生命學(xué)院2013級(jí)博士生王燕峰為并列第一作者。北京生命科學(xué)研究中心董夢(mèng)秋博士及其課題組的博士生王建華，清華大學(xué)王佳偉研究員及肖百龍課題組的耿潔、吳坤、劉文豪、張廷鑫也參與了部分研究工作。
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委以及科技部、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的資助，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。顏寧教授在論文投稿過(guò)程中提供了重要幫助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/nature25743
供稿：藥學(xué)院 編輯：悸寔 華山 襄樺
