清華新聞網(wǎng)4月11日電 力無(wú)處不在，當(dāng)然也存在于我們體內(nèi)，并控制我們的日常行為，例如呼吸、擁抱、親吻、行走、刷手機(jī)、血壓飆升等。力是無(wú)形的，那人體如何感知？直到2010年，美國(guó)加州拉霍亞的斯克里普斯研究中心阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一類(lèi)感知機(jī)械力的分子受體—PIEZO蛋白，為我們認(rèn)識(shí)了解這一基本的生物學(xué)問(wèn)題帶來(lái)了突破。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)PIEZO并證明其觸覺(jué)受體的功能，阿登·帕塔普蒂安與戴維·朱利葉斯（David Julius，溫度受體發(fā)現(xiàn)者）共同榮獲2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
人類(lèi)感知的基礎(chǔ)是電信號(hào)，那么PIEZO蛋白是如何將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化成生物電信號(hào)呢？2012年，在阿登·帕塔普蒂安課題組從事博士后研究期間，肖百龍與同事證明了PIEZO是機(jī)械門(mén)控陽(yáng)離子通道。通俗來(lái)說(shuō)，PIEZO坐落在細(xì)胞膜上，如同水庫(kù)大壩，當(dāng)力作用，使PIEZO通道打開(kāi)后，鈣等陽(yáng)離子涌入細(xì)胞，從而引發(fā)電和化學(xué)信號(hào)。而PIEZO功能的失常，將導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生，比如無(wú)法控制自身肌肉、異常的疼痛感覺(jué)等。
所以問(wèn)題的關(guān)鍵是，PIEZO蛋白如何響應(yīng)力的刺激，打開(kāi)通道？2013年肖百龍來(lái)到清華大學(xué)組建團(tuán)隊(duì)，致力解決這一核心科學(xué)問(wèn)題。我們知道結(jié)構(gòu)決定功能：車(chē)輪的圓形便于其滾動(dòng)；剪刀的交叉便于其裁剪，這個(gè)道理對(duì)微觀(guān)世界的蛋白同樣適用?；谇迦A卓越的冷凍電鏡平臺(tái)，10年來(lái)，肖百龍與李雪明團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解析了PIEZO家族成員PIEZO1與PIEZO2的三維結(jié)構(gòu)：它們?nèi)缤~螺旋槳，其中心是離子通透的孔道，外周是三個(gè)感知機(jī)械力的槳葉（圖1左）。有趣的是，在孔道關(guān)閉時(shí)，嵌在膜中的槳葉高度卷曲，甚至可能彎曲細(xì)胞膜，形成納米碗（nanobowl）狀的凹陷（圖1右）。
圖1 PIEZO通道的三聚體三葉螺旋槳狀（左圖，俯視圖）與納米碗狀（右圖，平視圖）三維結(jié)構(gòu)
基于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，肖百龍團(tuán)隊(duì)及其他課題組進(jìn)一步研究（圖2），并提出猜想：當(dāng)細(xì)胞膜張力改變時(shí)，PIEZO可以從彎曲變?yōu)槠秸範(fàn)?，帶?dòng)中間的孔道開(kāi)放，從而將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為陽(yáng)離子流通的電信號(hào)（圖3左下）。
圖2 PIEZO的機(jī)械力感知分子機(jī)制研究進(jìn)展總結(jié)
這些工作（圖2）推動(dòng)了“PIEZO的發(fā)現(xiàn)與研究”成為2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的研究成果（圖3）。但在諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)時(shí)，研究者們還未能解析出PIEZO受力開(kāi)放的結(jié)構(gòu)。膜上PIEZO在受力后是否如諾獎(jiǎng)示意圖中所展示的一樣（圖3左下），從彎曲的關(guān)閉態(tài)進(jìn)入平展的開(kāi)放態(tài)？這是PIEZO諾獎(jiǎng)研究的未解之謎。
圖3 2021諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)委員會(huì)發(fā)布的示意圖總結(jié)了PIEZO的發(fā)現(xiàn)（上半部分）、所介導(dǎo)的觸覺(jué)、本體覺(jué)感知等生理病理功能（下右）、以及結(jié)構(gòu)模型與機(jī)械力感知假說(shuō)猜想（下左）
揭開(kāi)謎團(tuán)的難點(diǎn)在于，如何引入力？蛋白并不是靠“呆若木雞”的狀態(tài)來(lái)發(fā)揮功能，其結(jié)構(gòu)的變化才是生命奧妙所在。但迄今為止，還未有人成功解析膜上蛋白受力變化時(shí)的結(jié)構(gòu)。肖百龍與李雪明指導(dǎo)楊旭中、林超、陳旭東和李首卿四位博士生，對(duì)這一尖端難題發(fā)起挑戰(zhàn)，最終首次建立了膜上受力結(jié)構(gòu)解析體系(圖4)。該策略的核心是把PIEZO蛋白重組到脂質(zhì)體上，并利用蛋白與膜的曲率差異，產(chǎn)生膜張力和彎曲力?；谠摷夹g(shù)突破，研究者們首次獲得了PIEZO在膜上的彎曲結(jié)構(gòu)（圖5左），及受力展開(kāi)的結(jié)構(gòu)（圖5右）。
圖4 PIEZO1-脂質(zhì)體冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)解析
圖5 PIEZO1膜上彎曲和展平結(jié)構(gòu)
通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，研究者們發(fā)現(xiàn)PIEZO1利用其固有的變形能力和結(jié)構(gòu)重排，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其非凡的力學(xué)敏感性和對(duì)流通離子的選擇性：首先，PIEZO1彎曲和展平的結(jié)構(gòu)（圖5）以及脂質(zhì)體囊泡水滴和D型的形狀(圖6)，表明PIEZO1既能彎曲脂膜，又能直接感知曲率引起的張力變化，而發(fā)生形變。
圖6 PIEZO1脂質(zhì)體的曲率形態(tài)變化
其次，PIEZO1-膜系統(tǒng)在展平的過(guò)程中，膜投影面積擴(kuò)展了約300nm2(圖7左)，結(jié)合前人研究，研究者計(jì)算出從彎曲狀態(tài)到平展?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)變需要施加92pN的力，570pN·nm的做功。換算為張力，則需要1.9pN/nm(圖7右)，接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量值1.4pN/nm。至此，研究者建立了對(duì)PIEZO1固有的曲率力學(xué)靈敏度的精確定量描述。
圖7 PIEZO1-膜系統(tǒng)的形變參數(shù)測(cè)量以及機(jī)械敏感性計(jì)算
最后，研究者觀(guān)察到，感受曲率變化的槳葉末端，雖然有劇烈的形變，但通過(guò)PIEZO內(nèi)部的納米杠干傳遞和帽子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使其轉(zhuǎn)化為側(cè)塞門(mén)和跨膜門(mén)的適度打開(kāi)(圖8)，保證了同時(shí)具有高機(jī)械靈敏度和陽(yáng)離子選擇性。
圖8 PIEZO的受力形變與門(mén)控機(jī)制模式圖
本研究在結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域取得重大技術(shù)進(jìn)步，為離子通道在脂質(zhì)雙分子膜上的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究提供了范例。此外，該研究首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械力受體PIEZO1通道在脂膜上受力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)解析，揭示了其受力形變與脂膜曲率感知的特性，定量了其皮牛尺度的機(jī)械敏感性，建立了其曲率感知理論學(xué)說(shuō)，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。無(wú)形的力在物理上可被定義為受力對(duì)象的形變，而PIEZO正是利用其納米尺度的曲率形變?nèi)ヌ綔y(cè)皮牛尺度的力，從而成為一類(lèi)低能耗的超敏機(jī)械力感受器，不由讓研究者們驚嘆生命過(guò)程與物理原理的交匯之美！
該論文于2022年4月6日在《自然》（Nature）期刊在線(xiàn)刊登，標(biāo)題為“PIEZO1在脂膜中的結(jié)構(gòu)形變與曲率感知”（Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes）。清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍教授、生命學(xué)院李雪明研究員為本論文的共同通訊作者，藥學(xué)院2019級(jí)博士生楊旭中、2018級(jí)博士生陳旭東和生命學(xué)院2018級(jí)博士生林超、2017級(jí)博士生李首卿為共同第一作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04574-8
供稿：藥學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：呂婷
