藥學(xué)院肖百龍研究組在《神經(jīng)元》雜志發(fā)表論文揭示機械敏感離子通道的分子作用機制
清華新聞網(wǎng)2月26日電 2月25日，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍課題組在《神經(jīng)元》（Neuron)期刊以長文形式在線發(fā)表了題為《機械敏感Piezo通道離子通透和機械力傳導(dǎo)機制》（Ion Permeation and Mechanotransduction Mechanisms of Mechanosensitive Piezo Channels）的研究論文，首次系統(tǒng)報道了Piezo通道如何感知機械力刺激并控制其離子流通的分子作用機制。
機械敏感非選擇性陽離子通道是一類能夠響應(yīng)機械力刺激而被快速激活引起鈣、鈉、鉀離子流通的通道蛋白，被認為在觸覺／痛覺機械力感受、聽覺、血壓調(diào)節(jié)等生理過程中扮演重要角色，科學(xué)家也一直致力于尋找其在脊椎動物中的分子組成。直到2010年，美國斯克利普斯研究所（The Scripps Research Institute）的Ardem Patapoutian博士研究組在這一領(lǐng)域取得重大突破，發(fā)現(xiàn)了Piezo1和Piezo2兩個基因?qū)τ跈C械力門控非選擇性陽離子電流的產(chǎn)生至關(guān)重要 (Coste et al., Science 2010)。隨后研究證實Piezo通道可以作為重要的機械力傳感器參與血管發(fā)育、觸覺感受等基本生物功能。因而，其功能失調(diào)極有可能造成心血管、疼痛等方面的疾病。在人體，Piezo1和Piezo2基因編碼區(qū)上的遺傳突變也能夠分別引起遺傳性干癟紅細胞增多癥和遠端關(guān)節(jié)彎曲綜合癥等遺傳疾病，進一步證明它們在人體生理功能的重要性及其與疾病的相關(guān)性，以及作為重要藥物靶點的前景。
Piezo通道蛋白是一類復(fù)雜的膜蛋白家族，與已知離子通道不具備任何序列上的類似性，因而其分子功能并不清楚。肖百龍博士在從事博士后研究期間率先完成對這一復(fù)雜大型膜蛋白的重組表達、純化、理化性質(zhì)及電生理特性的研究，并首次證明其以多聚體的形式形成哺乳動物中鑒定發(fā)現(xiàn)的首類機械敏感陽離子通道的孔道蛋白 (Coste and Xiao et al., Nature, 2012)，從而揭開了脊椎動物中這一重要通道分子組成的神秘面紗并確立了Piezo機械力門控離子通道這一全新的離子通道家族。
肖百龍研究員于2013年1月到清華大學(xué)藥學(xué)院組建自己的課題組，并任職清華－北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及清華大學(xué)IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院，致力于對Piezo通道家族的結(jié)構(gòu)功能、生理及病理學(xué)意義、及藥物篩選與開發(fā)研究。利用其課題組在Piezo蛋白的分子生物學(xué)、蛋白重組表達及純化、電生理功能研究的堅實基礎(chǔ)，在揭示Piezo通道家族的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系方面取得系列重要進展。
通過與清華大學(xué)高寧研究組及楊茂君研究組合作，他所帶領(lǐng)的課題組在國際上率先解析重組表達的鼠源全長Piezo蛋白的亞納米級別分辨率冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)。Piezo1同源三聚體整體呈現(xiàn)類似于三葉螺旋槳的架構(gòu)，遠端胞外區(qū)呈現(xiàn)扇葉結(jié)構(gòu)，最后一個胞外區(qū)正好位于結(jié)構(gòu)中心且呈現(xiàn)帽子樣結(jié)構(gòu)，每一個螺旋槳骨架由至少14個明顯的跨膜區(qū)組成，每個骨架下面還含有一個長的“橫梁”支撐上面的跨膜區(qū)（圖A）。這一整體特殊新穎的結(jié)構(gòu)也暗示了Piezo蛋白家族可能通過胞外的扇葉區(qū)去感受機械力進而調(diào)控中心成孔區(qū)的開放關(guān)閉狀態(tài)。該研究成果于2015年9月21日以長文形式發(fā)表在《自然》(Ge et al., Nature 2015)。
Piezo1通道結(jié)構(gòu)的解析為進一步揭示其分子工作機制奠定了重要基礎(chǔ)。但是由于其分辨率的限制，Piezo通道的重要功能域定位以及其離子流通和機械力傳導(dǎo)的分子機制等問題有待解決。該課題組發(fā)表于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域著名期刊《神經(jīng)元》的研究長文(Zhao et al., Neuron 2016)聚焦這些關(guān)鍵科學(xué)問題，利用生化分析與電生理等功能研究手段，首次報導(dǎo)在序列和結(jié)構(gòu)上高度復(fù)雜的Piezo1離子通道以功能區(qū)模塊化的方式來行使其作為一類精細的機械力門控陽離子通道：其羧基段包含最后兩次跨膜區(qū)的約350個氨基酸可以形成一個獨立的負責(zé)離子通透的孔道區(qū)模塊 (Pore module)，而剩余的氨基段約2200個氨基酸能夠作為一個獨立的機械傳感模塊 (mechanotransduction module) (圖B)。
非常有意思的是，基于這一工作原理，他們可以人為構(gòu)造出一類機械力門控離子通道。當(dāng)把Piezo1蛋白的機械傳感模塊與正常不具備機械敏感性的酸敏感離子通道嵌合在一塊，就能賦予該人造嵌合體離子通道機械力敏感性，有力佐證了他們所提出的Piezo1離子通道的工作機制模型。
機械敏感Piezo1離子通道的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)與分子工作機制
(A) Piezo1通道的三葉螺旋槳結(jié)構(gòu)(Ge et al., Nature 2015)；(B)Piezo1離子通道機械力傳導(dǎo)和孔道區(qū)模塊示意圖，左為拓撲模型，右為結(jié)構(gòu)模型(Zhao et al., Neuron 2016); (C)Piezo1孔道區(qū)模塊結(jié)構(gòu)圖及控制離子流通的重要功能位點(Zhao et al., Neuron 2016)。
研究組的研究還進一步鑒定了孔道區(qū)上決定離子通透性質(zhì)（譬如單通道電導(dǎo)、孔道區(qū)阻斷、陽離子和陰離子之間或二價陽離子與一價陽離子之間的選擇性）的關(guān)鍵氨基酸位點（圖C）。這些研究結(jié)果有力推動了我們對這一類全新的重要離子通道蛋白的離子通透和機械力傳導(dǎo)機制的理解，也為將來以Piezo通道為靶點的藥物設(shè)計與開發(fā)提供理論依據(jù)。
清華大學(xué)生命學(xué)院博士研究生趙前程、吳坤、藥學(xué)院博士后耿潔和技術(shù)員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。此外，生命學(xué)院博士研究生王燕峰、張明敏和醫(yī)學(xué)院博士研究生支鵬也參與了部分研究工作。本項目受到清華-北大生命聯(lián)合中心、科技部重大研究計劃的支持。
論文鏈接：http://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(16)00093-3
供稿：藥學(xué)院 編輯：文 杰
