清華藥學院肖百龍、生命學院李雪明團隊合作揭示諾獎蛋白PIEZO1響應機械力刺激的機制

因為發現PIEZO並證明其觸覺受體的功能,阿登·帕塔普蒂安與戴維·朱利葉斯共同榮獲2021年諾貝爾生理學或醫學獎。2012年,在阿登·帕塔普蒂安課題組從事博士後研究期間,肖百龍與同事證明了PIEZO是機械門控陽離子通道。而PIEZO功能的失常,將導致一系列疾病的發生,比如無法控制自身肌肉、异常的疼痛感覺等。

力無處不在,當然也存在於我們體內,並控制我們的日常行為,例如呼吸、擁抱、親吻、行走、刷手機、血壓飆升等。力是無形的,那人體如何感知?直到2010年,美國加州拉霍亞的斯克裡普斯研究中心阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)團隊報導了一類感知機械力的分子受體—PIEZO蛋白,為我們認識瞭解這一基本的生物學問題帶來了突破。因為發現PIEZO並證明其觸覺受體的功能,阿登·帕塔普蒂安與戴維·朱利葉斯(David Julius,溫度受體發現者)共同榮獲2021年諾貝爾生理學或醫學獎。

人類感知的基礎是電信號,那麼PIEZO蛋白是如何將機械刺激轉化成生物電信號呢?2012年,在阿登·帕塔普蒂安課題組從事博士後研究期間,肖百龍與同事證明了PIEZO是機械門控陽離子通道。通俗來說,PIEZO坐落在細胞膜上,如同水庫大壩,當力作用,使PIEZO通道打開後,鈣等陽離子湧入細胞,從而引發電和化學訊號。而PIEZO功能的失常,將導致一系列疾病的發生,比如無法控制自身肌肉、异常的疼痛感覺等。

所以問題的關鍵是,PIEZO蛋白如何響應力的刺激,打開通道?2013年肖百龍來到清華大學組建團隊,致力解决這一覈心科學問題。我們知道結構决定功能:車輪的圓形便於其滾動;剪刀的交叉便於其裁剪,這個道理對微觀世界的蛋白同樣適用。基於清華卓越的冷凍電鏡平臺,10年來,肖百龍與李雪明團隊已經解析了PIEZO家族成員PIEZO1與PIEZO2的三維結構:它們如同三葉螺旋槳,其中心是離子通透的孔道,外周是三個感知機械力的槳葉(圖1左)。有趣的是,在孔道關閉時,嵌在膜中的槳葉高度捲曲,甚至可能彎曲細胞膜,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)三維結構

基於這種獨特的結構,肖百龍團隊及其他課題組進一步研究(圖2),並提出猜想:當細胞膜張力改變時,PIEZO可以從彎曲變為平展狀,帶動中間的孔道開放,從而將機械力刺激轉化為陽離子流通的電信號(圖3左下)。

圖2 PIEZO的機械力感知分子機制研究進展總結

這些工作(圖2)推動了“PIEZO的發現與研究”成為2021年諾貝爾生理學或醫學獎的研究成果(圖3)。但在諾獎頒發時,研究者們還未能解析出PIEZO受力開放的結構。膜上PIEZO在受力後是否如諾獎示意圖中所展示的一樣(圖3左下),從彎曲的關閉態進入平展的開放態?這是PIEZO諾獎研究的未解之謎。

圖3 2021諾貝爾生理學或醫學委員會發佈的示意圖總結了PIEZO的發現(上半部分)、所介導的觸覺、本體覺感知等生理病理功能(下右)、以及結構模型與機械力感知假說猜想(下左)

揭開謎團的難點在於,如何引入力?蛋白並不是靠“呆若木雞”的狀態來發揮功能,其結構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的結構。肖百龍與李雪明指導楊旭中、林超、陳旭東和李首卿四比特博士生,對這一尖端難題發起挑戰,最終首次建立了膜上受力結構解析體系(圖4)。該策略的覈心是把PIEZO蛋白重組到脂質體上,並利用蛋白與膜的曲率差异,產生膜張力和彎曲力。基於該科技突破,研究者們首次獲得了PIEZO在膜上的彎曲結構(圖5左),及受力展開的結構(圖5右)。

圖4 PIEZO1-脂質體冷凍電鏡三維結構解析

圖5 PIEZO1膜上彎曲和展平結構

通過結構分析,研究者們發現PIEZO1利用其固有的變形能力和結構重排,同時實現其非凡的力學敏感性和對流通離子的選擇性:首先,PIEZO1彎曲和展平的結構(圖5)以及脂質體囊泡水滴和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,而發生形變。

圖6 PIEZO1脂質體的曲率形態變化

其次,PIEZO1-膜系統在展平的過程中,膜投影面積擴展了約300nm2(圖7左),結合前人研究,研究者計算出從彎曲狀態到平展狀態的轉變需要施加92pN的力,570pN·nm的做功。換算為張力,則需要1.9pN/nm(圖7右),接近實驗測量值1.4pN/nm。至此,研究者建立了對PIEZO1固有的曲率力學靈敏度的精確定量描述。

圖7 PIEZO1-膜系統的形變參數量測以及機械敏感性計算

最後,研究者觀察到,感受曲率變化的槳葉末端,雖然有劇烈的形變,但通過PIEZO內部的納米杠幹傳遞和帽子旋轉運動,使其轉化為側塞門和跨膜門的適度打開(圖8),保證了同時具有高機械靈敏度和陽離子選擇性。

圖8 PIEZO的受力形變與門控機制模式圖

本研究在結構解析領域取得重大技術進步,為離子通道在脂質雙分子膜上的結構動力學研究提供了範例。此外,該研究首次實現了對機械力受體PIEZO1通道在脂膜上受力狀態下的動態結構解析,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械敏感性,建立了其曲率感知理論學說,從根本上解答了其將物理機械刺激轉化成生物電信號,這一PIEZO諾獎研究的未解之謎。無形的力在物理上可被定義為受力對象的形變,而PIEZO正是利用其納米尺度的曲率形變去探測皮牛尺度的力,從而成為一類低能耗的超敏機械力感受器,不由讓研究者們驚歎生命過程與物理原理的交匯之美!

該論文於2022年4月6日在《自然》(Nature)期刊線上刊登,標題為“PIEZO1在脂膜中的結構形變與曲率感知”(Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes)。清華大學藥學院肖百龍教授、生命學院李雪明研究員為本論文的共同通訊作者,藥學院2019級博士生楊旭中、2018級博士生陳旭東和生命學院2018級博士生林超、2017級博士生李首卿為共同第一作者。

論文連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04574-8

本文標題: 清華藥學院肖百龍、生命學院李雪明團隊合作揭示諾獎蛋白PIEZO1響應機械力刺激的機制
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656001973235662
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