清华肖百龙组6年3篇Nature，成果入选19年度“中国生命科学领域十大进展”拟推荐项目
跨界进入神经科学领域
肖百龙博士于2001年从中山大学生命科学学院生物化学专业获得理学学士学位；2001-2006年在加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)师从Wayne Chen教授获得心血管分子生物学方向博士学位；2007-2012年在美国斯克利普斯研究所(The Scripps Research Institute) 师从Ardem Patapoutian教授，从事神经科学博士后研究。
其自2013年起任职于清华大学药学院、清华－北大生命科学联合中心及IDG／麦戈文脑科学研究院，担任研究员和博士生导师，主持（过）国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、重点项目、面上项目以及及国家重大研究计划等多项科研项目。
主要研究方向
离子通道是控制细胞兴奋性和信号传递的一类重要跨膜蛋白，在神经冲动、肌肉收缩、腺体分泌等基本生理过程中起着至关重要的作用。其遗传突变或生理调节性紊乱所导致的功能失调可以致使包括神经、心血管、免疫及代谢等方面的诸多重大疾病。离子通道是迄今所使用临床药物的第二大类药物靶点。因而，离子通道研究长期以来是神经科学、生理学以及药理学领域的核心研究内容。
肖百龙博士实验室综合利用多学科研究手段，着重开展机械或温度门控离子通道的鉴定发现、结构功能关系以及生理学和病理学意义的研究。作为机械力或温度感知的分子受体，这两类离子通道控制机体触／痛觉感知。机械门控离子通道还参与心血管发育与血压调节、骨细胞功能、神经细胞分化与轴突生长等广泛生理病理过程。因而，通过对这两类重要离子通道的研究，我们期望对触／痛觉的分子神经学机制以及机械力传感在其它生理病理过程中的作用能有更好的了解，并致力于开发以这些通道为靶点的新型药物或生物技术。
实验室目前的主要研究方向包括：（1）机械门控Piezo离子通道结构功能、生理／病理学意义、药物筛选与技术开发；（2）新型机械或温度门控离子通道的鉴定发现。
高能高产，研究成果颇丰
肖百龙博士长期致力于离子通道研究，研究了在触／痛觉发生过程中起重要作用的多种类型离子通道，包括发现TRPA1通道作为一类重要的痛觉受体；STIM1/Orai1通道作为一类新型温度门控离子通道参与暖温区间的温度感知，揭示了哺乳动物精准感知温热变化的分子细胞学机制；以及证实Piezo蛋白形成在哺乳动物中发现鉴定到的首类机械门控阳离子通道，并对其结构功能关系、生理与病理功能、药物筛选与作用机制等方面进行了深入系统的研究，为理解触／痛觉感知的分子细胞神经学机制及离子通道的分子作用机制作出了重要学术贡献。相关研究成果以第一作者或通讯作者身份发表在Nature (2012, 2015, 2018, 2019), Neuron (2016), Nature Communications (2017, 2018), Cell Research (2018, 2019), Nature Chemical Biology (2011), Elife (2019)，Journal of Neuroscience (2007, 2008), Circulation Research (2004, 2005)等国际知名学术期刊，总他引1000余次。
近年来, 其研究组聚焦于从分子、细胞及动物水平解答机械门控Piezo通道如何将机械力刺激转化为电化学信号这一关键科学问题，以通讯作者（含共同）身份在机械门控Piezo通道的三维结构解析、关键功能位点的鉴定发现、离子通透与机械门控机制的揭示、蛋白互作调控、小分子药物发现以及生理病理功能等方面取得了系列重要研究成果，并提出了其机械力感受与传递的机械门控杠杆作用机制假说，有力驱动了该研究领域的突破性发展，获邀为Annual Review of Pharmacology and Toxicology撰写综述文章，体现了其在领域内的国际性学术影响力。
成果入选2019年度“中国生命科学领域十大进展”拟推荐项目
触觉感知源于表达在初级感觉神经元上的机械力感知分子受体－机械门控阳离子通道对机械力刺激的响应，从而引起细胞外的阳离子例如钠离子和钙离子流入细胞，进而诱发神经细胞兴奋和信号传递，最终导致触觉的产生。
2010年，美国斯克利普斯研究所的Ardem Patapoutian教授课题组鉴定发现，Piezo基因家族编码哺乳动物机械门控阳离子通道的必要成分。2012年，在Patapoutian教授课题组从事博士后研究的肖百龙博士与其同事合作在《自然》期刊报道Piezo蛋白构成机械门控阳离子通道的核心孔道组成成分，从而首次确立了机械门控Piezo通道这一全新离子通道家族类型。
随后的研究证明Piezo2介导哺乳动物的触觉、本体觉（譬如体位平衡感知）以及内脏觉（譬如肺的收缩扩张以及血压感知和心率调节）的机械感知，而Piezo1则被发现在多种细胞组织中承担机械力分子受体的功能参与调控血管及淋巴管发育、血压稳态、骨的生成与重塑等诸多功能。Piezo基因的遗传突变被发现引起多种人类遗传疾病，包括红细胞干瘪综合症、淋巴管水肿、远端关节挛缩症、触觉缺失症等。携带Piezo2功能缺失型突变的人体不仅表现出触觉以及本体感觉缺陷，且丧失病理状态下的机械超敏痛感知，确证Piezo2通道可以作为开发新型镇痛药物的重要靶点。
肖百龙博士课题组综合利用生化结构、电生理膜片钳、高通量药物筛选、转基因小鼠模型以及人类遗传学等多学科研究手段，聚焦解答机械门控Piezo通道如何将机械力刺激转化为电化学信号，以及其如何利用自身机械敏感性和通道特性来决定相关的生理病理功能这两方面的关键科学问题，并致力于开发以Piezo通道为靶点的新型药物及技术。迄今以通讯作者（含共同）身份在Piezo通道的三维结构解析、分子机制揭示、小分子药物发现、以及生理病理功能探索等方面取得了系列重要研究成果。
在这篇《自然》论文中，依托两个课题组之前对Piezo1通道进行冷冻电镜结构解析所建立的技术体系和研究平台，研究人员经过6年多的不懈努力，克服全长2822个氨基酸的鼠源Piezo2表达量极低的困难，通过对蛋白纯化条件以及冷冻电镜制样方法的不断摸索和优化，最终获得了性质稳定均一的蛋白样品用于冷冻电镜数据采集。
在结构解析过程中，由于Piezo蛋白具有极高的柔性，为解析高分辨率结构带来很大的挑战。研究人员将Piezo2数据颗粒进行对称性扩展，并切割成三个部分独立计算，得到高分辨的各部分结构后再拼合成完整结构，克服了柔性问题，最终获得了整体分辨率为3.6-3.8埃的三维结构(图a)，并成功解析了Piezo2蛋白包含38次跨膜螺旋区的完整拓扑结构(图c, d)。研究者们发现，Piezo2通道的整体三维结构和之前所解析的Piezo1通道类似，以同源三聚体形式组装成包含114次跨膜螺旋区的三叶螺旋桨状结构(图a-d)，确立了Piezo通道是迄今已知的含跨膜次数最多的一类大型膜蛋白。其中第1到第36次跨膜螺旋区（TM1-36）依次以4次跨膜螺旋区为单元组装成共9个重复性的结构单元，这一特征性结构单元之前以清华大学英文缩写命名为THU (Transmembrane Helical Unit，跨膜螺旋单元) (图c, d)。
非常有意思的是，这9个THU串联组成一个特殊的非平面的跨膜“桨叶”(Blade)结构，导致三个桨叶围合成一个直径28nm而深度10nm的往细胞内侧凹陷的穹顶状结构(图b)。研究者推测这一穹顶状Piezo蛋白－细胞膜系统可能是Piezo通道具有高度机械敏感性的结构基础之一。
位于中心孔道区域上方的胞外“帽子”(Cap)结构域完全嵌在穹顶底部 (图a, b)，而细胞内侧则有一根9nm长的长杆区结构(Beam)将桨叶的外周端连接到中心孔道的胞内部位 (图a-e)。第38次跨膜螺旋（取名为inner helix，IH）和尾随的胞内羧基端结构域(CTD)围绕形成中心孔道部分(图e, f)，包含位于跨膜区和胞质区的狭窄颈部(图f, g)，提示该Piezo通道结构处于关闭态。Piezo2与Piezo1的结构比较表明，跨膜区狭窄位点在Piezo2结构中处于完全关闭状态，而在Piezo1中则处于开放状态(图f, g)。据此，研究者提出该狭窄位点形成跨膜区的开关闸门(TM gate) (图f, g)。进一步结构分析和电生理功能实验表明该闸门可能通过顶端帽子结构域的旋转来控制(图h)。而由于位于胞质区的狭窄颈部(cytosolic constriction neck)在Piezo1和Piezo2结构中都处于关闭状态(图f, g)，因此该位点是否作为另一个开关闸门而被桨叶和长杆结构的构象变化所控制还有待进一步证明。
肖百龙博士表示，通过与李雪明博士课题组的通力合作，从Piezo1到Piezo2结构的解析不仅有力推动了对哺乳动物机械门控Piezo通道的结构和机械门控机制的理解，也为探究Piezo通道的功能失常所引发的人类疾病机理及其相关药物的鉴定发现提供了坚实的基础。依托其课题组已经建立的Piezo通道的全方位研究平台和学术积累，他们将致力于Piezo通道的药物发现与开发工作。
brainnews编辑部整理，
资料来源：
1 清华大学新闻网
2 中国神经科学学会官网
3 清华大学药学院官网
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