清華新聞網(wǎng)12月26日電 近日，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍教授課題組、生命學(xué)院李雪明研究員課題組與藥學(xué)院田博學(xué)研究員課題組合作，解析了機械力受體PIEZO1的中間開放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，揭示了其精細結(jié)構(gòu)動態(tài)變化和門控轉(zhuǎn)換過程，并結(jié)合結(jié)構(gòu)分析、分子動力學(xué)模擬和電生理實驗，定義了其關(guān)閉態(tài)、開放態(tài)和失活態(tài)的不同構(gòu)象狀態(tài)，提出了其門控循環(huán)機制，完善了其曲率感知理論學(xué)說。
PIEZO是一類專門的機械力受體，具有將多種形式的機械刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)成陽離子內(nèi)流的能力。PIEZO蛋白憑借其納米尺度的曲率形變，能夠感受皮牛尺度的力，并在毫秒尺度被激活，隨后快速失活。這種出色的機械敏感性使得PIEZO蛋白在多種細胞中發(fā)揮重要的機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，進而調(diào)控了觸覺、本體感覺、機械痛癢覺、血壓、心率等眾多生理過程。PIEZO蛋白在受力時可以從關(guān)閉狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換至開放狀態(tài)，隨后快速進入失活狀態(tài)。PIEZO蛋白的精細門控調(diào)節(jié)可能對應(yīng)著其發(fā)揮的廣泛生理和病理作用。例如，在體內(nèi)一些細胞類型中，內(nèi)源的PIEZO1介導(dǎo)電流的失活速度相較于異源表達的PIEZO1顯著減慢；PIEZO1的一些功能獲得性突變的人類致病位點往往具有電流失活變慢的特點。因此，確定PIEZO不同功能狀態(tài)的結(jié)構(gòu)對于在分子層面上深入理解其門控過程至關(guān)重要。
肖百龍課題組和李雪明課題組先前的研究揭示了PIEZO蛋白以同源三聚體的形式組成三葉螺旋槳樣結(jié)構(gòu)，帶有帽子結(jié)構(gòu)（Cap）的離子孔道位于三聚體中央。在先前使用去垢劑解析的PIEZO1結(jié)構(gòu)中，三個槳葉（Blade）高度彎曲成碗狀，稱之為“納米碗”，此時帽子結(jié)構(gòu)處于向上位置且帽子門（Cap-gate）關(guān)閉，與帽子門相連的彈簧連接器（Spring-linker）處于放松狀態(tài)，離子孔道的疏水跨膜孔徑較小且被認為處于關(guān)閉狀態(tài)，無法浸潤和滲透離子，細胞內(nèi)側(cè)的杠桿結(jié)構(gòu)（Beam）沒有彎折，側(cè)向門塞（Lateral plug）也被堵塞。這類彎曲的構(gòu)象有可能代表PIEZO1的關(guān)閉構(gòu)象（圖1上）。
在利用脂質(zhì)體-膜蛋白重組體系，引入由質(zhì)膜與重組蛋白曲率差異而產(chǎn)生的作用力后，研究者進一步解析出了PIEZO1蛋白的受力展平構(gòu)象，此時槳葉完全被壓平，同時帽子結(jié)構(gòu)處于向上位置且帽子門關(guān)閉，彈簧連接器處于放松狀態(tài)，跨膜孔道部分擴張，細胞內(nèi)側(cè)的杠桿結(jié)構(gòu)彎折，側(cè)向門塞處于堵塞狀態(tài)。鑒于此結(jié)構(gòu)下PIEZO1蛋白持續(xù)受力，因此該展平構(gòu)象很可能處于失活狀態(tài)（圖1下）。
PIEZO通道毫秒尺度的動力學(xué)特征使其難以穩(wěn)定在開放狀態(tài)，因此對于解析其開放狀態(tài)結(jié)構(gòu)帶來了非常大的挑戰(zhàn)。該研究首先鑒定到一個位于離子孔道疏水跨膜區(qū)的點突變PIEZO1-S2472E，其電生理特性表現(xiàn)出更高的自發(fā)開放電流和更慢的電流失活速度，提示PIEZO1-S2472E突變體可能通過減緩PIEZO1向失活狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而穩(wěn)定在開放狀態(tài)。研究者克服了PIEZO1-S2472E蛋白純化得率低的難題，使用冷凍電鏡解析出其三類構(gòu)象狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。第一類構(gòu)象與PIEZO1彎曲結(jié)構(gòu)類似，被稱為S2472E-Curved；第二類構(gòu)象的槳葉區(qū)高度介于彎曲構(gòu)象和展平構(gòu)象之間，帽子結(jié)構(gòu)域處于向下位置，被稱為S2472E-Intermediate，代表中間開放構(gòu)象狀態(tài)；第三類構(gòu)象的槳葉區(qū)被完全壓平，且帽子結(jié)構(gòu)處于向下位置，被稱為S2472E-Flattened，可能代表完全開放構(gòu)象狀態(tài)，但該類別占比較低，分辨率難以提高。
研究者重點分析了S2472E-Intermediate構(gòu)象，其槳葉區(qū)部分展平，槳葉高度介于關(guān)閉態(tài)和失活態(tài)之間，胞外帽子發(fā)生旋轉(zhuǎn)且向下移動，進而壓縮了下方相連的彈簧連接器，帽子門和疏水跨膜門被打開，胞內(nèi)側(cè)的杠桿結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的彎折，然而此時側(cè)向門塞仍然保持堵塞。結(jié)合分子動力學(xué)模擬，研究者認為此構(gòu)象處于中間開放狀態(tài)（圖1中）。
圖1.PIEZO1關(guān)閉、中間開放與失活的結(jié)構(gòu)機制示意圖
綜合對PIEZO1和PIEZO1-S2472E系列結(jié)構(gòu)的分析、突變和電生理學(xué)實驗以及分子動力學(xué)模擬等證據(jù)，研究者定義了PIEZO1的關(guān)閉狀態(tài)、中間開放狀態(tài)和失活狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特征，完善了PIEZO1的形變與曲率門控模型（圖2）。
A.PIEZO1-Curved和S2472E-Curved結(jié)構(gòu)代表PIEZO1的關(guān)閉狀態(tài)，此時PIEZO1槳葉區(qū)呈高度彎曲狀，PIEZO1納米碗曲率半徑約為10至14nm，帽子在向上位置且全部門控位點關(guān)閉。
B.S2472E-Intermediate結(jié)構(gòu)代表PIEZO1的中間開放狀態(tài)，此時帽子在向下位置且發(fā)生旋轉(zhuǎn)，槳葉區(qū)部分下壓，曲率半徑約為32nm，杠桿結(jié)構(gòu)發(fā)生部分彎折，帽子門和跨膜門打開，離子能滲透通過中心孔道，但側(cè)塞門仍然保持關(guān)閉。
C.在研究者預(yù)測的開放狀態(tài)S2472E-Flattened中，帽子仍處在向下位置，槳葉區(qū)徹底展平，包括側(cè)塞門在內(nèi)的所有門控位點全部打開。
D.PIEZO1-Flattened結(jié)構(gòu)代表PIEZO1的失活態(tài)，此時槳葉區(qū)依舊保持展平，曲率半徑約為117nm，但帽子位于向上位置，彈簧連接器舒展，各個門控逐步關(guān)閉。
圖2.PIEZO1的形變與曲率門控模型
相關(guān)研究成果以“中間開放態(tài)結(jié)構(gòu)揭示機械激活PIEZO1通道的門控轉(zhuǎn)換”（An intermediate open structure reveals the gating transition of the mechanically activated PIEZO1 channel）為題，于12月23日發(fā)表于《神經(jīng)元》（Neuron）。
肖百龍教授、李雪明研究員和田博學(xué)研究員為論文的共同通訊作者，李雪明課題組已畢業(yè)博士生劉斯嘉、肖百龍課題組已畢業(yè)博士生楊旭中、肖百龍課題組2021級博士生陳旭東、田博學(xué)課題組2020級博士生張孝春和肖百龍課題組已畢業(yè)博士生姜京徽為共同第一作者。另外，肖百龍課題組的原靜怡博士、劉文豪博士、王莉博士、吳坤博士和李雪明課題組的周珩博士也參與了部分工作。
研究得到國家科技部2030科技創(chuàng)新-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目，新基石研究員項目，北京市卓越學(xué)者項目，深圳市醫(yī)學(xué)研究專項，清華大學(xué)萬科公共衛(wèi)生學(xué)院研究基金等項目的經(jīng)費支持，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、膜生物學(xué)國家重點實驗室、清華大學(xué)蛋白質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心蛋白質(zhì)制備與鑒定實驗室為本研究提供了經(jīng)費或設(shè)施支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(24)00877-8
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
