清華新聞網(wǎng)8月16日電 近日，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍教授團(tuán)隊(duì)揭示了Piezo1作為星形膠質(zhì)細(xì)胞的機(jī)械傳感器，可以將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成化學(xué)信號(hào)，通過(guò)影響ATP釋放參與調(diào)節(jié)海馬成體神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知功能的重要作用，為機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)參與調(diào)控大腦組織穩(wěn)態(tài)提供了證據(jù)。
大腦的正常功能與穩(wěn)態(tài)維持依賴(lài)于包括神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、腦血管等多種細(xì)胞對(duì)腦環(huán)境中的各種信號(hào)有效轉(zhuǎn)導(dǎo)和協(xié)同作用。大量研究表明電壓門(mén)控或配體門(mén)控離子通道所介導(dǎo)的電、化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制在大腦發(fā)育、功能、以及疾病發(fā)生發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。然而大腦的穩(wěn)態(tài)維持是否依賴(lài)機(jī)械門(mén)控離子通道所介導(dǎo)的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)則并不清楚。
為了解答這一科學(xué)問(wèn)題，研究人員首先利用融合表達(dá)Piezo1-tdTomato的報(bào)告基因小鼠確定了大腦中表達(dá)機(jī)械門(mén)控通道Piezo1的細(xì)胞類(lèi)型。有意思的是，除了之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的表達(dá)Piezo1的血管內(nèi)皮細(xì)胞外，Piezo1在星形膠質(zhì)細(xì)胞中廣泛表達(dá)。進(jìn)一步的研究顯示，Piezo1不僅定位于細(xì)胞胞體，在星形膠質(zhì)細(xì)胞的觸手以及腳板結(jié)構(gòu)中也有廣泛的分布，這些結(jié)果表明星形膠質(zhì)細(xì)胞中Piezo1可能發(fā)揮獨(dú)特的機(jī)械感知生物學(xué)功能。
星形膠質(zhì)細(xì)胞作為哺乳動(dòng)物腦內(nèi)數(shù)量最多、分布最廣泛的細(xì)胞類(lèi)型，具有典型的多級(jí)分枝結(jié)構(gòu)，其形成的網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋極大的組織微環(huán)境（每個(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞體積約為13000μm3），賦予其有效監(jiān)測(cè)大腦穩(wěn)態(tài)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。因此研究者推測(cè)，星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠利用Piezo精細(xì)的機(jī)械敏感特性感知大腦微環(huán)境中微弱的機(jī)械信號(hào)，從而參與大腦活動(dòng)。
利用星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性Piezo遺傳修飾小鼠，體外分離培養(yǎng)Piezo敲除的星形膠質(zhì)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)Piezo1直接介導(dǎo)了星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)機(jī)械力刺激的響應(yīng)，誘發(fā)陽(yáng)離子電流和胞外Ca2+的內(nèi)流。在分子機(jī)制上，星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo1通過(guò)響應(yīng)機(jī)械力刺激最終調(diào)節(jié)ATP的釋放。雖然之前的研究已經(jīng)報(bào)道星形膠質(zhì)細(xì)胞在機(jī)械力刺激下可以通過(guò)Connexin/Pannexin等通道釋放ATP，研究者利用電生理、鈣成像等技術(shù)結(jié)合藥理學(xué)工具，證實(shí)Piezo1作為上游信號(hào)分子響應(yīng)機(jī)械力刺激，進(jìn)而調(diào)節(jié)下游ATP的釋放，建立了在星形膠質(zhì)細(xì)胞中從機(jī)械信號(hào)到化學(xué)信號(hào)的直接聯(lián)系。
為了進(jìn)一步揭示星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo在組織細(xì)胞水平中的作用，研究者以成體神經(jīng)發(fā)生微環(huán)境為切入點(diǎn)，探究了星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo敲除對(duì)海馬成體神經(jīng)發(fā)生可塑性的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，在星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性敲除Piezo1通道的小鼠表現(xiàn)出現(xiàn)嚴(yán)重的海馬體積缺陷。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo敲除顯著抑制了海馬神經(jīng)干細(xì)胞的增殖，導(dǎo)致包括神經(jīng)前體細(xì)胞、非成熟神經(jīng)元、成熟神經(jīng)元以及星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量的明顯減少。值得注意的是，星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo敲除導(dǎo)致的海馬成體神經(jīng)發(fā)生的缺陷可以通過(guò)外源添加ATP進(jìn)行挽救，從而進(jìn)一步證實(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo通過(guò)影響ATP釋放的分子機(jī)制。
研究人員利用活體腦片對(duì)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo敲除小鼠海馬的LTP與對(duì)照相比顯著下降，而添加ATP則可以挽救Piezo敲除小鼠LTP的缺陷。
通過(guò)在動(dòng)物整體水平對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo敲除小鼠行為學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，Piezo敲除小鼠在水迷宮以及Y迷宮測(cè)試中表現(xiàn)學(xué)習(xí)和記憶功能下降，表明星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo在調(diào)控大腦認(rèn)知功能中發(fā)揮了重要的作用。
最后研究人員利用星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo1過(guò)表達(dá)小鼠，證實(shí)了星形膠質(zhì)細(xì)胞中Piezo1通道通過(guò)增強(qiáng)機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、增強(qiáng)了突觸可塑性和認(rèn)知功能，從充分性和必要性?xún)蓚€(gè)方面證實(shí)了機(jī)械敏感通道Piezo在大腦功能穩(wěn)態(tài)維持中的重要作用。
以上的研究結(jié)果引發(fā)研究者思考，定位于細(xì)胞膜中的Piezo通道是如何感知大腦內(nèi)在細(xì)微機(jī)械力的刺激？肖百龍與李雪明課題組通過(guò)長(zhǎng)期合作研究，最近針對(duì)Piezo1在脂膜上受力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)解析對(duì)這一問(wèn)題給予了解答。機(jī)械門(mén)控Piezo1通道是同源三聚體，類(lèi)似于一個(gè)巨大的三葉螺旋槳狀結(jié)構(gòu)，其在細(xì)胞膜上以彎曲和非平面形式存在。其中非平面形狀的一個(gè)整體彎曲成開(kāi)口直徑20nm和深度10nm的標(biāo)志性納米碗狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)力的感知機(jī)制和曲率形變特性：Piezo1通道從彎曲到平展?fàn)顟B(tài)，其槳葉高度位移為10nm，所占平面膜面積增大300nm2，需要做功為570pN.nm，計(jì)算得出最大半激活膜張力值為1.9pN/nm，這與電生理測(cè)量值1.4pN/nm接近。細(xì)胞在靜息狀態(tài)下膜張力約為1–2mN/m。Piezo1能夠?qū)Ω鞣N形式的機(jī)械刺激作出反應(yīng)，包括戳、拉伸、剪切力、基底硬度，以及內(nèi)源性的細(xì)胞牽拉力。因此，Piezo1通道可以響應(yīng)納米尺度的曲率形變?nèi)ヌ綔y(cè)皮牛尺度的力，成為一類(lèi)低能耗的超敏機(jī)械力感受器。研究者提出分布在星形膠質(zhì)細(xì)胞納米尺度觸手上的Piezo1，可以有效感知大腦機(jī)械微環(huán)境。
星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo敲除小鼠海馬體積變化
星形膠質(zhì)細(xì)胞Piezo介導(dǎo)機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)大腦結(jié)構(gòu)與功能的模式圖
本文揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞利用Piezo1通道介導(dǎo)的機(jī)械傳導(dǎo)機(jī)制有效地調(diào)節(jié)海馬成體神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知功能，從概念上強(qiáng)調(diào)了機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在維持大腦結(jié)構(gòu)和功能中的重要性。
該研究于8月12日發(fā)表在《神經(jīng)元》（Neuron）期刊上，標(biāo)題為“Piezo1介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞的機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)并調(diào)節(jié)海馬成體神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知功能”（Astrocytic Piezo1-mediated mechanotransduction determines adult neurogenesis and cognitive functions）。
清華大學(xué)藥學(xué)院教授肖百龍為本文的通訊作者，清華大學(xué)藥學(xué)院2016級(jí)池少鵬博士，崔亞雄博士后、王海平博士后為本文的共同第一作者。2017級(jí)博士生姜京徽，張廷鑫博士，清華大學(xué)生命學(xué)院鐘毅教授、北京大學(xué)IDG麥戈文腦科學(xué)研究所周專(zhuān)教授和孫素華博士也參與了該項(xiàng)研究的部分工作。
本研究得到了國(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、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。
供稿：藥學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲 呂婷
