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(jī)械力受體PIEZO1的中間開(kāi)放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，揭示了其精細(xì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化和門(mén)控轉(zhuǎn)換過(guò)程，并結(jié)合結(jié)構(gòu)分析、分子動(dòng)力學(xué)模擬和電生理實(shí)驗(yàn)，定義了其關(guān)閉態(tài)、開(kāi)放態(tài)和失活態(tài)的不同構(gòu)象狀態(tài)，提出了其門(mén)控循環(huán)機(jī)制，完善了其曲率感知理論學(xué)說(shuō)。
PIEZO是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)的機(jī)械力受體，具有將多種形式的機(jī)械刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)成陽(yáng)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(jī)械敏感性使得PIEZO蛋白在多種細(xì)胞中發(fā)揮重要的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，進(jìn)而調(diào)控了觸覺(jué)、本體感覺(jué)、機(jī)械痛癢覺(jué)、血壓、心率等眾多生理過(guò)程。PIEZO蛋白在受力時(shí)可以從關(guān)閉狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換至開(kāi)放狀態(tài)，隨后快速進(jìn)入失活狀態(tài)。PIEZO蛋白的精細(xì)門(mén)控調(diào)節(jié)可能對(duì)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(xì)胞類(lèi)型中，內(nèi)源的PIEZO1介導(dǎo)電流的失活速度相較于異源表達(dá)的PIEZO1顯著減慢；PIEZO1的一些功能獲得性突變的人類(lèi)致病位點(diǎn)往往具有電流失活變慢的特點(diǎn)。因此，確定PIEZO不同功能狀態(tài)的結(jié)構(gòu)對(duì)于在分子層面上深入理解其門(mén)控過(guò)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(gè)槳葉（Blade）高度彎曲成碗狀，稱(chēng)之為“納米碗”，此時(shí)帽子結(jié)構(gòu)處于向上位置且帽子門(mén)（Cap-gate）關(guān)閉，與帽子門(mén)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(rèn)為處于關(guān)閉狀態(tài)，無(wú)法浸潤(rùn)和滲透離子，細(xì)胞內(nèi)側(cè)的杠桿結(jié)構(gòu)（Beam）沒(méi)有彎折，側(cè)向門(mén)塞（Lateral plug）也被堵塞。這類(lèi)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(jìn)一步解析出了PIEZO1蛋白的受力展平構(gòu)象，此時(shí)槳葉完全被壓平，同時(shí)帽子結(jié)構(gòu)處于向上位置且帽子門(mén)關(guān)閉，彈簧連接器處于放松狀態(tài)，跨膜孔道部分?jǐn)U張，細(xì)胞內(nèi)側(cè)的杠桿結(jié)構(gòu)彎折，側(cè)向門(mén)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(dòng)力學(xué)特征使其難以穩(wěn)定在開(kāi)放狀態(tài)，因此對(duì)于解析其開(kāi)放狀態(tài)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了非常大的挑戰(zhàn)。該研究首先鑒定到一個(gè)位于離子孔道疏水跨膜區(qū)的點(diǎn)突變PIEZO1-S2472E，其電生理特性表現(xiàn)出更高的自發(fā)開(kāi)放電流和更慢的電流失活速度，提示PIEZO1-S2472E突變體可能通過(guò)減緩PIEZO1向失活狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而穩(wěn)定在開(kāi)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(lèi)構(gòu)象狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。第一類(lèi)構(gòu)象與PIEZO1彎曲結(jié)構(gòu)類(lèi)似，被稱(chēng)為S2472E-Curved；第二類(lèi)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(chēng)為S2472E-Intermediate，代表中間開(kāi)放構(gòu)象狀態(tài)；第三類(lèi)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(chēng)為S2472E-Flattened，可能代表完全開(kāi)放構(gòu)象狀態(tài)，但該類(lèi)別占比較低，分辨率難以提高。
研究者重點(diǎn)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(dòng)，進(jìn)而壓縮了下方相連的彈簧連接器，帽子門(mén)和疏水跨膜門(mén)被打開(kāi)，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(shí)側(cè)向門(mén)塞仍然保持堵塞。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究者認(rèn)為此構(gòu)象處于中間開(kāi)放狀態(tài)（圖1中）。
圖1.PIEZO1關(guān)閉、中間開(kāi)放與失活的結(jié)構(gòu)機(jī)制示意圖
綜合對(duì)PIEZO1和PIEZO1-S2472E系列結(jié)構(gòu)的分析、突變和電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)以及分子動(dòng)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(kāi)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(mén)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(shí)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(mén)控位點(diǎn)關(guān)閉。
B.S2472E-Intermediate結(jié)構(gòu)代表PIEZO1的中間開(kāi)放狀態(tài)，此時(shí)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(mén)和跨膜門(mén)打開(kāi)，離子能滲透通過(guò)中心孔道，但側(cè)塞門(mén)仍然保持關(guān)閉。
C.在研究者預(yù)測(cè)的開(kāi)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(mén)在內(nèi)的所有門(mén)控位點(diǎn)全部打開(kāi)。
D.PIEZO1-Flattened結(jié)構(gòu)代表PIEZO1的失活態(tài)，此時(shí)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(gè)門(mén)控逐步關(guān)閉。
圖2.PIEZO1的形變與曲率門(mén)控模型
相關(guān)研究成果以“中間開(kāi)放態(tài)結(jié)構(gòu)揭示機(jī)械激活PIEZO1通道的門(mén)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(jí)博士生陳旭東、田博學(xué)課題組2020級(jí)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(guó)家科技部2030科技創(chuàng)新-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目，新基石研究員項(xiàng)目，北京市卓越學(xué)者項(xiàng)目，深圳市醫(yī)學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)，清華大學(xué)萬(wàn)科公共衛(wèi)生學(xué)院研究基金等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室為本研究提供了經(jīng)費(fèi)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
