清華生命學(xué)院梁鑫課題組發(fā)文報(bào)道果蠅機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)新機(jī)制

清華新聞網(wǎng)3月29日電 3月28日，清華大學(xué)生命學(xué)院梁鑫課題組在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了題為“果蠅機(jī)械力感受器中NompC的超微結(jié)構(gòu)”（Ultrastructural Organization of NompC in the Mechanoreceptive Organelle of Drosophila Campaniform Mechanoreceptors）的研究論文。該論文在組織細(xì)胞原位重建了果蠅機(jī)械力敏感神經(jīng)元中“力感受器”整體的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合遺傳學(xué)，活細(xì)胞成像，定點(diǎn)激光消融技術(shù)和力學(xué)建模解析了力敏感離子通道NompC的空間分布和力學(xué)狀態(tài)，揭示了該類(lèi)神經(jīng)元激活的機(jī)制及其分子基礎(chǔ)。

機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是感受神經(jīng)元將胞外機(jī)械力轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào)（例如膜電位變化）的過(guò)程。這一“力-電”信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程通常在特化的細(xì)胞器，即“力感受器”內(nèi)實(shí)現(xiàn)。因此，解析力感受器的分子組成，超微結(jié)構(gòu)及力學(xué)基礎(chǔ)是理解力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的關(guān)鍵。本論文利用基于電子斷層成像的三維重建技術(shù)，解析了力感受器的整體三維結(jié)構(gòu)。在該三維結(jié)構(gòu)中，研究人員發(fā)現(xiàn)NompC（即力敏感離子通道）在細(xì)胞膜上形成了有序的二維陣列。結(jié)構(gòu)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析表明，盡管由NompC離子通道形成的二維陣列只有數(shù)百納米的大小，但它們卻在空間分布和受力程度上形成了令人驚嘆的梯度變化。進(jìn)一步的理論分析顯示，該類(lèi)神經(jīng)元利用特殊的支撐結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒈砥さ那首兓D(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜诹Ω惺芷鞯?ldquo;旋轉(zhuǎn)力”，這一精妙的轉(zhuǎn)換使得力感受器膜上的力沿著“近端-遠(yuǎn)端”軸向形成梯度。這一力信號(hào)的分布梯度恰好和二維陣列中力敏感離子通道的空間分布及所受預(yù)應(yīng)力狀態(tài)吻合。這樣的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)不僅能夠提高力感受器的敏感性，也能拓展其在信號(hào)響應(yīng)中的動(dòng)態(tài)范圍，從而提示了高度有序的分子架構(gòu)對(duì)于細(xì)胞器整體功能的優(yōu)化。這一工作提出了力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的新機(jī)制，同時(shí)也為進(jìn)一步探索相關(guān)細(xì)胞生物學(xué)過(guò)程的分子基礎(chǔ)和力學(xué)原理奠定了基礎(chǔ)。

清華大學(xué)生命學(xué)院助理教授梁鑫為本文的通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院博士后孫蘭弟為文章第一作者。論文中力學(xué)分析和建模部分的工作得到了清華大學(xué)航空航天學(xué)院生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所馮西橋教授和李博副教授的大力支持。本課題受到了科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金委，德國(guó)馬普學(xué)會(huì)伙伴小組和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/content/pnas/early/2019/03/26/1819371116.full.pdf

供稿：生命學(xué)院

編輯：李華山

審核：周襄楠