前沿：清華學者提出細胞對機械力「感知」的精巧機制

知識 01-23

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撰文 | 王承志

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

細胞對於外界信號的感知能力是基本的生物學需求，其中很重要的一種是對機械力的感知。比如聽覺和觸覺，肺對擴張的感知，血管壁對血流的感知，許多生理過程都與機械力的感知有關。一些特化的細胞進化成為專門感知機械力的「終端」，比如內耳毛細胞、本體感覺神經元等等，它們通常對機械力非常敏感。不僅如此，大部分細胞都含有感知機械力的結構，這對於細胞遷移、擴增以及分化等功能都很重要。

細胞對機械力的「感知」需要通過把機械力轉化為細胞能夠識別的生物信號，這通常是由離子通道和細胞膜受體以及細胞內信號傳導通路共同實現。早在1979年，加州理工學院的Hudspeth（現為洛克菲勒大學教授）和Corey（後在哈佛大學任職），就通過在牛蛙聽覺上皮細胞中的實驗，推測機械力刺激可能通過離子產生的電流傳導，因為亞毫秒級別的信號傳導不可能通過傳統的第二信使的方式傳遞[1]。2010年，美國斯克里普斯研究所Ardem Patapoutian實驗室發現了高等動物中，Piezo1和Piezo2 兩個基因是編碼哺乳動物機械門控陽離子通道的必要組成成分[2]。

後來的研究發現，Piezo1和Piezo2屬於一類很保守的機械門控陽離子通道，在包括觸覺、痛覺、呼吸、本體感受和血管發育等多種生理過程中起作用(圖1)。人體中這些基因突變會導致紅細胞乾癟綜合症、遠端關節扭曲症、先天性淋巴管發育不良和觸覺缺失等疾病，顯示出它們的重要性[3]。

圖1：Piezo1和Piezo2在人體內的分布。圖片來源：參考文獻[4]

從預測的結構看，這類蛋白與其它所有已知蛋白都沒有多少相似性，而且相比其它離子通道，這類蛋白顯得非常巨大（超過2000個氨基酸）。清華大學藥學院研究員肖百龍博士在Ardem Patapoutian教授實驗室從事博士後期間與其同事首次證明Piezo蛋白形成機械門控陽離子通道，這在哺乳動物細胞中是首次被鑒定發現的，但其具體的作用機制並不清楚[6]。

蛋白質的三維結構通常能夠幫助科學家解釋其功能。2015年，清華大學高寧課題組、肖百龍課題組與楊茂君課題組合作在《自然》雜誌報道了Piezo1通道中等解析度的冷凍電鏡三維結構，揭示了其三葉螺旋槳狀的三維構造特徵，為解析其分子作用機制提供了重要線索[5]。

2016年，肖百龍課題組在《神經元》雜誌發表文章，報道了Piezo1通道負責離子通透與選擇性的孔道區模塊以及負責機械力感受與傳導的機械感測模塊的氨基酸構成，進而首次提出Piezo1通道以功能區模塊化的方式來行使其機械門控離子通道功能的假說[7]。

2017年，肖百龍課題組在《自然－通訊》雜誌進一步報道了Piezo通道的新型調控蛋白SERCA2，並系統闡明了其對Piezo蛋白通道活性調控的作用機制，為基於這一蛋白互做調控模式的潛在藥物開發提供了重要線索[8]。

本周二，《自然》在線發表了清華大學肖百龍與李雪明課題組題為「Piezo1離子通道的結構與機械門控機制」(Structure and Mechanogating Mechanism of the Piezo1 Channel)的研究長文[9]。該研究解析了哺乳動物機械門控Piezo1離子通道的高解析度三維結構，揭示了其參與機械力感受與傳遞的關鍵功能位點，進而首次提出了Piezo通道以類似槓桿原理進行機械門控的精巧工作機制。值得一提的是，最初發現Piezo1和Piezo2基因的Ardem Patapoutian實驗室也和同在斯克里普斯研究所的Andrew Ward實驗室合作，幾乎同時在《自然》雜誌上發表了Piezo1的高解析度結構[10]。洛克菲勒大學的Roderick MacKinnon實驗室也同時在eLife期刊發表了Piezo1的高解析度結構[11]。

Piezo1通道整體呈現三聚體三葉螺旋槳狀結構(圖2a），其羧基端約350個氨基酸組成中心的控制離子通透的中心孔道部分，其氨基端的2200個氨基酸組成外周的特徵性結構域，包括「槳葉」（blade）、「長桿」（beam）以及「錨定區」（anchor）(圖2a-c)。

圖2：Piezo1三維結構。圖片來源：參考文獻[9]

雖然Piezo1蛋白並不包含重複性序列，肖百龍等學者卻驚奇地發現其外周槳葉部分由共9個重複性的、以4次跨膜區為基礎的結構單元串聯而成。他們把這一特徵性的結構域命名為Transmembrane Helical Unit (THU)，這也恰好是清華大學的英文縮寫。而在Ardem Patapoutian和Andrew Ward的論文中，這種結構被命名為Piezo repeats。在拓撲結構上，Piezo1蛋白以每個亞基包含38次跨膜區、總計114次跨膜區的形式，組裝成目前已知的跨膜次數最多的一類膜蛋白複合物(圖2b-c)。

在三維結構的胞內部分，存在著長約90 ?的特徵性beam結構，其將遠端槳葉區連接到中心孔道區部分的CTD以及anchor結構域(圖2b-c)。肖百龍認為這是Piezo通道將外周槳葉部分所感知的機械力變化有效傳遞到中心孔道部分的重要結構基礎。結構顯示beam區存在著不均一的相對位移，即遠端的運動位移更大，而靠近中央成孔區只顯示輕微的位移變化。因此，Piezo1結構的構象變化契合了槓桿作用原理。他們的電生理功能研究數據進一步支持了其提出的Piezo1通道以槓桿原理進行機械力感知的機制。

肖百龍博士告訴《知識分子》，以上研究成果有力地推動了對Piezo通道結構特徵與分子機制的理解。他們還發現Piezo諸多與人類遺傳疾病（例如Piezo1、Piezo2基因突變分別導致紅細胞乾癟綜合症以及遠端關節扭曲症）相關的氨基酸突變，集中在beam-CTD-Anchor的相互作用界面，為下一步深入理解這些遺傳疾病突變如何導致Piezo通道功能失常提供了重要線索。

參考文獻：

1. Corey DP and Hudspeth AJ: Response latency of vertebrate hair cells. Biophys J 26:499-506, 1979.

2. Coste B, Mathur J, Schmidt M, et al.: Piezo1and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cationchannels. Science 330: 55-60, 2010.

3. Murthy SE, Dubin AE and Patapoutian A: Piezosthrive under pressure: mechanically activated ion channels in health anddisease. Nat Rev Mol Cell Biol 18: 771-783, 2017.

4. Wu J, Lewis AH and Grandl J: Touch, Tension,and Transduction - The Function and Regulation of Piezo Ion Channels. Trends BiochemSci 42: 57-71, 2017.

5. Ge J, Li W, Zhao Q, et al.: Architecture ofthe mammalian mechanosensitive Piezo1 channel. Nature 527: 64-69, 2015.

6. Coste B, Xiao B, et al.: Piezo Proteins Are Pore-forming Subunits of Mechanically Activated Channels. Nature. 2012.

7. Zhao Q, Wu K, Geng J, et al.: Ion Permeationand Mechanotransduction Mechanisms of Mechanosensitive Piezo Channels. Neuron 89: 1248-1263, 2016.

8. Zhang T, Chi S, Jiang F, Zhao Q and Xiao B:A protein interaction mechanism for suppressing the mechanosensitive Piezochannels. Nat Commun 8: 1797, 2017.

9. Structure and Mechanogating Mechanism of the Piezo1 Channel,

DOI: 10.1038/nature25743

10. Saotome K, Murthy SE, Kefauver JM, WhitwamT, Patapoutian A and Ward AB: Structure of the mechanically activated ionchannel Piezo1. Nature 2017.

11. Guo YR and MacKinnon R: Structure-based membrane dome mechanism for Piezo mechanosensitivity. Elife 2017.

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