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(jī)械敏感離子通道的分子作用機(jī)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(zhǎng)文形式在線(xiàn)發(fā)表了題為《機(jī)械敏感Piezo通道離子通透和機(jī)械力傳導(dǎo)機(jī)制》（Ion Permeation and Mechanotransduction Mechanisms of Mechanosensitive Piezo Channels）的研究論文，首次系統(tǒng)報(bào)道了Piezo通道如何感知機(jī)械力刺激并控制其離子流通的分子作用機(jī)制。
機(jī)械敏感非選擇性陽(yáng)離子通道是一類(lèi)能夠響應(yīng)機(jī)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(rèn)為在觸覺(jué)／痛覺(jué)機(jī)械力感受、聽(tīng)覺(jué)、血壓調(diào)節(jié)等生理過(guò)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(dòng)物中的分子組成。直到2010年，美國(guó)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(gè)基因?qū)τ跈C(jī)械力門(mén)控非選擇性陽(yáng)離子電流的產(chǎn)生至關(guān)重要 (Coste et al., Science 2010)。隨后研究證實(shí)Piezo通道可以作為重要的機(jī)械力傳感器參與血管發(fā)育、觸覺(jué)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(xì)胞增多癥和遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)彎曲綜合癥等遺傳疾病，進(jìn)一步證明它們?cè)谌梭w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(diǎn)的前景。
Piezo通道蛋白是一類(lèi)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(lèi)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(duì)這一復(fù)雜大型膜蛋白的重組表達(dá)、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(dòng)物中鑒定發(fā)現(xiàn)的首類(lèi)機(jī)械敏感陽(yáng)離子通道的孔道蛋白 (Coste and Xiao et al., Nature, 2012)，從而揭開(kāi)了脊椎動(dòng)物中這一重要通道分子組成的神秘面紗并確立了Piezo機(jī)械力門(mén)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(duì)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(kāi)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(dá)及純化、電生理功能研究的堅(jiān)實(shí)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(jìn)展。
通過(guò)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(guó)際上率先解析重組表達(dá)的鼠源全長(zhǎng)Piezo蛋白的亞納米級(jí)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(lèi)似于三葉螺旋槳的架構(gòu)，遠(yuǎn)端胞外區(qū)呈現(xiàn)扇葉結(jié)構(gòu)，最后一個(gè)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(gè)螺旋槳骨架由至少14個(gè)明顯的跨膜區(qū)組成，每個(gè)骨架下面還含有一個(gè)長(zhǎng)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(guò)胞外的扇葉區(qū)去感受機(jī)械力進(jìn)而調(diào)控中心成孔區(qū)的開(kāi)放關(guān)閉狀態(tài)。該研究成果于2015年9月21日以長(zhǎng)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(jìn)一步揭示其分子工作機(jī)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(jī)械力傳導(dǎo)的分子機(jī)制等問(wèn)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(zhǎng)文(Zhao et al., Neuron 2016)聚焦這些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，利用生化分析與電生理等功能研究手段，首次報(bào)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(lái)行使其作為一類(lèi)精細(xì)的機(jī)械力門(mén)控陽(yáng)離子通道：其羧基段包含最后兩次跨膜區(qū)的約350個(gè)氨基酸可以形成一個(gè)獨(dú)立的負(fù)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(gè)氨基酸能夠作為一個(gè)獨(dú)立的機(jī)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(lèi)機(jī)械力門(mén)控離子通道。當(dāng)把Piezo1蛋白的機(jī)械傳感模塊與正常不具備機(jī)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(jī)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(jī)制模型。
機(jī)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(jī)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(jī)械力傳導(dǎo)和孔道區(qū)模塊示意圖，左為拓?fù)?/span>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(diǎn)(Zhao et al., Neuron 2016)。
研究組的研究還進(jìn)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(yáng)離子和陰離子之間或二價(jià)陽(yáng)離子與一價(jià)陽(yáng)離子之間的選擇性）的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)（圖C）。這些研究結(jié)果有力推動(dòng)了我們對(duì)這一類(lèi)全新的重要離子通道蛋白的離子通透和機(jī)械力傳導(dǎo)機(jī)制的理解，也為將來(lái)以Piezo通道為靶點(diǎn)的藥物設(shè)計(jì)與開(kāi)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(xiàng)目受到清華-北大生命聯(lián)合中心、科技部重大研究計(jì)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
