Piezo蛋白的故事：触觉、听觉和本体感觉背后的触感机制
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原文作者：Amber Dance
从掐痛到轻抚，科研人员正在逐渐揭开压力敏感蛋白的面纱——正是依靠这些蛋白，细胞才能感知张力和压力。
女孩努力让手臂和双手保持稳定，但手指却不自主地扭动。如果闭上眼睛，症状会进一步恶化。她并非缺乏保持四肢稳定的力量——它们似乎全然不受她的控制。
在某些动物中，三个叶片状蛋白质共同组成Piezo1通道，它主要帮助细胞感知触摸。图片来源：David S. Goodsell/RCSB PDB
Carsten Bönnemann清楚地记得2013年在加拿大卡尔加里的一家医院里，对这名女孩进行的检查。作为美国国家神经疾病和卒中研究所的一名儿科神经病学家，他常常要出差会诊令人费解的病例。但这次的病例，他也是头一次见。
如果不睁眼看着自己的四肢，女孩似乎根本不知道它们在哪里。她无法感知身体在空间中的位置，而这是一种至关重要的能力，即本体感受（proprioception）。“这种情况究竟为何会发生，令人费解。”Bönnemann说。
他的团队对这名女孩以及另一名症状相似的女孩1做了基因测序，发现了一个名为“PIEZO2”的基因的突变。他们的运气很不错：就在几年前，研究人员探究细胞感知触摸的机制时，发现该基因编码了一种压敏蛋白2。
Piezo2和相关蛋白Piezo1的发现，可以说是数十年来探寻触感机制过程中的高光时刻了。Piezo属于离子通道，即细胞膜上允许离子通过的通道，且这种离子通道恰好对细胞张力敏感。“关于细胞间的信号传递，我们已经了解了很多，主要涉及化学信号传导。”加州斯克里普斯研究中心的分子神经生物学家Ardem Patapoutian说，其研究团队发现了Piezo。“我们现在逐渐意识到，机械感觉这种物理力也是一种信号传导机制，只不过我们对此知之甚少。”
触觉几乎是所有组织和细胞正常运作的基础，Patapoutian说。生物通过力了解周围的世界，享受爱抚的同时规避痛苦刺激。机体细胞会感觉血液流动，感受空气使肺部膨胀，感受胃和膀胱充盈。听觉的基础也是内耳中的细胞感知源自声波的力。
在过去的十年中，对Piezo和其他机械敏感离子通道的研究蓬勃发展。过去三年中，仅围绕Piezo就发表了300多篇论文。大家最关心的问题之一是，位于细胞膜上的蛋白质如何感知力并对其作出反应。科学家利用冷冻电镜（cryo-EM），在揭示Piezo独特的三叶结构方面取得了进展，但对其完整的机制仍一知半解。研究人员还发现，Piezo不仅仅参与了触觉或本体感觉。例如，Piezo或有助于解释为什么某些人群能够抵抗疟疾，甚至可能解释为什么宇航员在太空会出现骨量丢失。研究人员已经开始考虑使用药物（例如治疗慢性疼痛的药物），调节力敏蛋白。
机械敏感蛋白有助于感知体重对骨骼的压力，但是如果没有重力作用，它们的功能就会大大减弱。生活在太空中的宇航员只能通过抗阻训练，弥补这种情况。图片来源：JSC/美国国家航空航天局
“很长一段时间以来，我们都知道细胞具有这种功能，但却不了解背后的机制。”斯坦福大学的感官生理学家Miriam Goodman说，“Piezo确实改变了这一点。”
飘忽的触觉
长久以来，触觉一直给人一种不真实的感觉。其他感觉，比如视觉和味觉，都相对好理解，Patapoutian说：击中眼睛的光子或渗透到鼻子和舌头的化学物质激活了相应的受体；这些受体促使离子通道开放，正离子得以进入细胞；细胞去极化，将刺激转换为大脑可接受并理解的电信号。
科学家推测：在触觉、本体感觉和听觉中，某种蛋白质可能既用作力传感器，又充当离子通道，因为在听觉中，信号发生速度很快——几乎都在微秒间。但是这些联合的感受器-通道蛋白究竟是什么，我们仍不清楚——至少在哺乳动物中是如此。研究人员在细菌、果蝇和线虫中发现了一些机械敏感通道。
因此，Patapoutian和他的同事Bertrand Coste制定了一个研究计划。他们从一种小鼠细胞入手，这种细胞能够将用移液管轻轻戳一下的微小力量，转换成可测量的电流。然后，Coste敲除候选离子通道基因中的一个（每批细胞中敲除一个不同的基因），通过观察哪批细胞突然失去了其触觉敏感性，确定相关基因。起初，Coste非常自信，认为只要花上几个月甚至几周的时间就能成功。
然而实验几乎花了一年的时间。2009年年底，Coste终于有了发现——他用移液管戳了戳细胞，它们丝毫没有反应。某个力敏通道一定已经被敲除了。
“那真是非常美好的一天。”目前在法国国家研究所（CNRS）工作的Coste回忆说。他和Patapoutian将这个小鼠基因命名为“Piezo1”，希腊语中是“压力”的意思，他们很快又发现了Piezo2。后来，研究团队发现Piezo2与小鼠感觉神经元和皮肤细胞的触觉存在直接联系3。
螺旋桨结构
看到这样的研究结果，研究人员都惊呆了，Goodman回忆说，特别是因为Piezo蛋白竟然如此大，如此复杂。Piezo1由2500多个氨基酸组成，重达300 KD，它共穿越细胞膜38次，几乎是破纪录的存在。（作为对比参考，哺乳动物体内蛋白质通常包含近500个氨基酸。）
可惜，如此“庞然大物”却妨碍了研究人员解答Piezo领域最热门的问题：这种机械敏感通道如何感应力？它们如何打开和关闭？纽约洛克菲勒大学的生物物理学家Roderick MacKinnon说，揭示蛋白质结构，对回答这类问题有很大帮助。“只有看清它的结构，我们才能回答这些问题。”
要应付体积庞大、结构复杂的蛋白质，诸如X射线晶体学和核磁共振波谱仪之类的结构技术都只能说勉勉强强，清华大学的神经系统科学家肖百龙说。他之前曾在Patapoutian的实验室从事博士后研究。
幸运的是，2013年肖百龙组建自己的实验室时，另一种能够获得高分辨率结构图像的技术出现了：冷冻电镜技术。他的研究团队利用该技术，在2015年第一次报道了Piezo1的结构4。此后，他的团队、MacKinnon团队和Patapoutian团队又先后报道了若干高分辨率版本。去年9月，肖百龙团队进一步得到了Piezo2的结构图，其大小和形状与Piezo1类似。肖百龙团队的Piezo2图像是迄今为止，从三个叶片尾部角度拍摄的最清晰的结构图，这三个叶片在不断运动，因此很难抓拍到清晰的图像5。
所得的图像非常惊艳。三个Piezo蛋白形成三聚体穿过细胞膜（详见“压力感受器”）。以中央孔为中心，三个蛋白盘旋向外，就像螺旋桨叶片那样。它们向上向外弯曲，在细胞表面形成了一个深深的凹陷结构。
Patapoutian和肖百龙认为，当有机械力作用于细胞膜时，“叶片”结构会在细胞膜内侧带动“支撑杆”结构，从而使中央孔打开（参阅“通道开启”）。而MacKinnon认为，Piezo的“叶片”结构让细胞膜起褶的方式，或许暗示了一种不同的机制：无论推或拉，都将增加细胞膜张力，弯曲的通道可能会被拉平，从而打开。
这些假设目前还无法检验，因为研究人员迄今仅能研究被分离出来的Piezo蛋白，这些蛋白已经与细胞膜分离且处于闭合状态。如果能拍摄Piezo在细胞膜中且处于打开状态的图片，应将有助于科研人员了解其秘密。“我们希望能够在其自然状态下进行观察。”Patapoutian说。
不止一个实验室正在尝试拍摄处于打开状态的Piezo通道的图像。Patapoutian团队采用的是一种Piezo1激活物，他们将其命名为Yoda1，来自《星球大战》中绿色矮小、使用原力的绝地大师的名字。Patapoutian希望借助Yoda1的刺激，拍摄Piezo1打开状态的图像。他还提出了另外一种方法——将Piezo插入“纳米盘”，这种人造细胞膜可能有助于稳定通道的开放构象。同时，肖百龙团队正在利用冷冻电子断层扫描技术，该技术可以从不同的倾角对样品进行成像，或有助于弄清楚天然或人造细胞膜上的Piezo通道结构。
痛觉过敏的痛点
除了结构学研究，从功能学角度出发，科研人员发现Piezo蛋白在体内有不止一种作用。
2014年，神经科学家Alex Chesler刚加入美国国家补充与整合卫生中心。受Coste的发现的启发，他当时正在进行小鼠造模，敲除其体内的Piezo2，以探究该通道在触觉中的作用。后来有一天，他收到了一封邮件，来自和他在同一幢楼内工作的Bönnemann，内容正是关于那两个缺乏本体感觉的女孩。
Chesler直奔楼上，去了Bönnemann的办公室。他气喘吁吁地说：“你不知道这是多宝贵的财富。”Chesler无法直接询问敲除了Piezo2的小鼠，感觉或没有感觉到什么——但如果对象是人，那就不一样了。
他和Bönnemann邀请这两个女孩到Bethesda接受更全面的评估。两个女孩的本体感觉缺失都可以得到代偿，睁着眼睛，她们仍能够走直线或触摸指定物体。但一旦蒙住她们的眼睛，任务就变得很困难。同样，在保持正常听觉的情况下，她们能够感受到音叉在皮肤上的振动；但如果戴上消噪耳机，她们就全然无法察觉振动了1。
Patapoutian在小鼠中发现了相同的现象：如果控制肌肉和肌腱的神经缺乏Piezo2，这些小鼠的本体感觉就会出现缺失，动作也会不协调6。Patapoutian团队还发现，Piezo2在异常性疼痛中的痛觉神经元中也有作用。异常性疼痛是一种特殊的痛觉类型，即使轻柔的抚摸也仿佛针刺。部分神经痛患者一直存在类似的痛觉过敏。
注射了辣椒素（辣椒中发现的辛辣分子）或神经损伤后的小鼠，一般会出现异常性疼痛，但敲除了Piezo2基因的小鼠则不会7。Chesler和Bönnemann报道称，PIEZO2突变患者也会有类似的痛觉变化8。
“慢性疼痛非常折磨人。”Swetha Murthy说，他在Patapoutian手下做博士后时，领导开展了一项异常性疼痛研究，“我认为对于这些神经疾病，我们可以开始寻找靶向Piezo2的药物。”Patapoutian和Chesler都在寻找能够在疼痛部位阻断Piezo2活性，而又不干扰其在身体别处作用的化合物。肖百龙说：“Piezo通道药物背后的潜力非常巨大。”
需要感知触觉的不仅仅是神经元细胞；几乎每一个细胞都会受到某种力的作用。譬如红细胞，它们必须发生形变，才能挤过细小的毛细血管。基因突变导致Piezo1过度激活，可能引起血细胞萎缩，并引起脱水性遗传性红细胞增多症（一种罕见病）患者发生贫血。
那些皱缩的红细胞让Patapoutian 想起了镰状细胞贫血。镰状细胞基因突变在非洲裔群体中非常常见，因为它可以抵御疟疾。Patapoutian想知道的是，PIEZO1突变是否也有类似功能。
如果有，那么在非洲裔群体中，这种突变的发生率应该相对较高。数据库检索结果显示Patapoutian是正确的：数据库中有三分之一的非洲裔人群出现了一个特定的PIEZO1变体9。另一个研究团队报告说，这种PIEZO1突变的携带者对严重疟疾具有抵抗力11。
根据肖百龙团队的研究，Piezo1还参与了骨骼形成和维护。如果敲除小鼠成骨细胞（造骨细胞）中的Piezo1，小鼠会更瘦更小。与对照组相比，实验组小鼠支撑体重的长骨相对轻薄乏力。
此外，被部分悬空的野生型小鼠（不必支撑自己的全部体重），其Piezo1的表达水平较低，骨量也相对较少11。肖百龙认为这种现象很与骨质疏松症患者非常类似，特别是那些长期卧床或在国际空间站工作的宇航员。
机械力传感器
“Piezo的发现对整个领域来说是一个巨大的进步，”澳大利亚新南威尔士大学的生物学家Kate Poole说，“但大家都很清楚，我们不能满足于此。”
听觉研究人员为寻找相关通道，已努力了整整四十年。“一路上走了不少弯路，”波士顿儿童医院的神经科学家Jeffrey Holt说，“好在我们最终找到了正确的答案。”
这一关键通道蛋白被称为“TMC1”。当Holt改变TMC1中部分氨基酸时，内耳细胞将机械信号转换为电信号的能力也随之改变了12。另一研究报告显示，提纯后的TMC1能够在人工膜泡中构建机械敏感的离子通道13。但是，TMC1的结构仍是个谜，因为我们很难纯化出足够数量的TMC1，无法确保获得高质量的冷冻电镜图像。
与此同时，Patapatoutian的团队正在寻找其他新的通道。2018年，Patapatoutian、Murthy和斯克里普斯研究中心的结构生物学家Andrew Ward报道了他们认为最大的机械激活通道家族。他们知道一组蛋白质能够帮助植物感应渗透压——OSCA蛋白——并认为它们或许可以更普遍地感知力。在人类肾脏细胞中，当Murthy牵拉细胞膜时，OSCA的确作出了反应14。
OSCA通道与Piezo蛋白关系密切，可感受植物细胞中的渗透压变化。图片来源：Sebastian Jojoa-Cruz/Ward实验室
研究人员还从既往的研究中，了解到OSCA蛋白与哺乳动物中的另一个蛋白家族——TMEM63蛋白关系密切。在小鼠、人类甚至果蝇中，当Murthy牵拉细胞膜时，TMEM63通道均会有所反应，因此OSCA和TMEM63蛋白构成了许多生物共同的力传感器蛋白家族。
俄勒冈健康与科学大学的生物物理学家和神经科学家Murthy说，我们迄今为止所发现的离子通道，无法完整解释细胞的机械敏感性。一定还有未知的机械感受蛋白。
Patapoutian说，那些机械传感蛋白的作用可能比我们想象的多得多，“我们所知道的不过是皮毛。”
参考文献：
1.Chesler, A. T. et al. N. Engl. J. Med. 375, 1355–1364 (2016).
2.Coste, B. et al. Science 330, 55–60 (2010).
3.Ranade, S. S. et al. Nature 516, 121–125 (2014).
4.Ge, J. et al. Nature 527, 64–69 (2015).
5.Wang, L. et al. Nature 573, 225–229 (2019).
6.Woo, S. H. et al. Nature Neurosci. 18, 1756–1762 (2015).
7.Murthy, S. E. et al. Sci. Transl. Med. 10, eaat9897 (2018).
8.Szczot, M. et al. Sci. Transl. Med. 10, eaat9892 (2018).
9.Ma, S. et al. Cell 173, 443–455 (2018).
10.Nguetse, C. N. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/691253 (2019).
11.Sun, W. et al. eLife 8, e47454 (2019).
12.Pan, B. et al. Neuron 99, 736–753 (2018).
13.Jia, Y. et al. Neuron https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.10.017 (2019).
14.Murthy, S. E. et al. eLife 7, e41844 (2018).
原文以 The quest to decipher how the body’s cells sense touch为标题发表在2020年1月8日的《自然》新闻特写上
© nature
Nature|doi:10.1038/d41586-019-03955-w
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