2021年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了David Julius與Ardem Patapoutian，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了溫度覺(jué)和觸覺(jué)的受體（“for their discoveries of receptors for temperature and touch”）。
眾所周知，我們感知熱、冷和觸摸的能力對(duì)于生存至關(guān)重要，也是我們與周?chē)澜缁?dòng)的基礎(chǔ)。其中，在2010年，Ardem Patapoutian課題組使用壓敏細(xì)胞發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)新型傳感器——PIEZO蛋白，可對(duì)皮膚和內(nèi)臟器官的機(jī)械刺激作出反應(yīng)。但是PIEZO通道是如何將物理機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化成生物電信號(hào)，仍然未被解釋。這仍然是PIEZO諾獎(jiǎng)研究的未解之謎。
圖自諾獎(jiǎng)官網(wǎng)
近日，清華大學(xué)肖百龍與李雪明等人通過(guò)對(duì)PIEZO1在脂質(zhì)膜中的結(jié)構(gòu)變形和曲率感知進(jìn)行了研究，從機(jī)制上解釋了PIEZO通道是如何將物理機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化成生物電信號(hào)。成果發(fā)表在Nature上。
一些背景
PIEZO 通道是機(jī)械激活的陽(yáng)離子通道，具有出色的機(jī)械敏感性。例如，PIEZO1 可以固有地響應(yīng)膜張力的變化，測(cè)量的半最大活化張力 (T50) 約為 1.4mN/m。這種高機(jī)械敏感性可以使 PIEZO 通道在各種細(xì)胞類(lèi)型中充當(dāng)多功能機(jī)械傳感器，從而介導(dǎo)許多重要的生理過(guò)程。例如，PIEZO1 是心血管發(fā)育和功能、血壓調(diào)節(jié)、骨形成和重塑、紅細(xì)胞體積調(diào)節(jié)和先天免疫所必需的，PIEZO2在介導(dǎo)輕觸、本體感覺(jué)、內(nèi)感覺(jué)和觸覺(jué)疼痛的體感神經(jīng)元中起主導(dǎo)作用。PIEZO1和 PIEZO2的突變與各種形式的人類(lèi)遺傳疾病有關(guān)，證明了它們作為新型治療靶點(diǎn)的臨床相關(guān)性和有效性。
PIEZO 通道形成螺旋槳形同源三聚體。3 個(gè)亞基中的每一個(gè)中 38 個(gè)跨膜螺旋的異常彎曲排列共同形成了膜平面中的標(biāo)志性納米碗結(jié)構(gòu)。在脂質(zhì)體囊泡中重組的 PIEZO1 已被證明可彎曲駐留膜并在生物學(xué)相關(guān)力下經(jīng)歷可逆的展平，從而提出 PIEZO通道使用基于結(jié)構(gòu)的膜穹頂機(jī)制，這說(shuō)明了它們非凡的機(jī)械敏感性。為了測(cè)試這種基于曲率的門(mén)控機(jī)制，研究人員旨在確定在脂質(zhì)體中重組的 PIEZO1 的彎曲和扁平結(jié)構(gòu)，從而使能夠直接分析 PIEZO1 在脂質(zhì)膜中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。
核心內(nèi)容
從機(jī)理上講，該研究提供了對(duì)PIEZO1 如何利用其固有的可變形性和結(jié)構(gòu)重排同時(shí)實(shí)現(xiàn)其對(duì)通道門(mén)控和選擇性陽(yáng)離子滲透的非凡機(jī)械敏感性的基本理解。
1）首先，PIEZO1 的彎曲和扁平結(jié)構(gòu)符合液滴形和 D 形脂質(zhì)體囊泡，提供了確鑿的證據(jù)表明 PIEZO1 既可以彎曲脂質(zhì)膜，又可以直接響應(yīng)與膜曲率變化相關(guān)的膜張力變化。
圖|PIEZO1 蛋白脂質(zhì)體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)測(cè)定和 PIEZO1 膜變形分析
圖|脂質(zhì)體囊泡中 PIEZO1 的彎曲和扁平結(jié)構(gòu)
2）其次，PIEZO1-膜系統(tǒng)在從彎曲狀態(tài)到扁平狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中經(jīng)歷了約 300nm2 的平面內(nèi)膜面積膨脹，其幅度相當(dāng)于橫向膜張力的變化和所需的自由能差異。將通道從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為打開(kāi)狀態(tài)。結(jié)合先前確定的描述葉片力引起的位移的方程，研究人員計(jì)算出從彎曲狀態(tài)到扁平狀態(tài)的過(guò)渡需要大約 92 nN 的機(jī)械力，約570 pN nm的功和1.9 pN nm-1的半最大張力，接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量的 PIEZO1 激活的 T50 值 1.4 pN nm-1。因此，該研究已經(jīng)建立了 PIEZO1 基于曲率的機(jī)械敏感性的精確和定量描述。
圖|PIEZO1-膜系統(tǒng)的平面內(nèi)膜面積擴(kuò)展
3）第三，雖然扁平結(jié)構(gòu)中離子傳導(dǎo)通路的中等分辨率不允許對(duì)其功能狀態(tài)進(jìn)行最終分配，但研究人員觀察到，機(jī)械感應(yīng)葉片的顯著變形分別通過(guò)細(xì)胞外帽和細(xì)胞內(nèi)束的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為跨膜門(mén)和側(cè)塞門(mén)的適度變化，確保同時(shí)具有高機(jī)械敏感性和陽(yáng)離子選擇性。
圖|從彎曲結(jié)構(gòu)到扁平結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重排
小結(jié)
綜上所述，該研究提供了對(duì)PIEZO1 顯著的可變形性和結(jié)構(gòu)重排如何在脂質(zhì)膜中實(shí)現(xiàn)精細(xì)的機(jī)械敏感性和獨(dú)特的基于曲率的門(mén)控的基本理解，從根本上解答了其將物理機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化成生物電信號(hào)這一PIEZO諾獎(jiǎng)研究的未解之謎。此外，脂質(zhì)體中 PIEZO1 的彎曲和扁平結(jié)構(gòu)為確定和分析脂質(zhì)雙層中離子通道的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)提供了一種范式，并代表了一般離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)制研究的重大技術(shù)進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)：
Yang, X., Lin, C., Chen,X. et al. Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipidmembranes. Nature (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04574-8
