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2021年，斯克里普斯研究所的Ardem Patapoutian教授因发现一类触觉受体PIEZO蛋白，而与温度受体的发现者David Julius教授共同获得诺贝尔生理学或医学奖。但在当时，PIEZO受力开放的结构仍是个未知数。在本周《自然》杂志刊发的论文中，清华大学肖百龙教授与李雪明研究员团队合作，首次解析了机械力受体PIEZO1在脂膜环境中的受力形变过程，定量了其皮牛尺度的机械敏感性，建立了其曲率感知理论学说，从根本上解答了其将物理机械刺激转化成生物电信号这一核心科学问题。
机械力感知决定我们的日常行为，例如握手、拥抱、亲吻、行走、刷手机、血压飙升等。力是无形的，那我们人体如何感知？2010年，Ardem Patapoutian教授团队报道了一类介导人体机械力感知的分子受体：PIEZO蛋白，为我们认识了解这一基本的生物学问题带来了突破。
▲2021诺贝尔生理学或医学委员会发布的示意图总结了PIEZO的发现（上半部分）、所介导的触觉、本体觉感知等生理病理功能（下半部分右侧）、以及结构模型与机械力感知假说猜想（下半部分左侧）。（图片来源：诺贝尔奖官网）
那么PIEZO蛋白又是如何将物理机械刺激转化成生物电信号的呢？肖百龙教授及其团队近10年致力于解答这一核心科学问题。肖百龙于2012年在Patapoutian课题组从事博士后研究期间首次证实，PIEZO蛋白是在哺乳动物中鉴定发现的首类机械门控阳离子通道；随后其课题组与合作者在PIEZO的结构功能机制研究方面取得了一系列重要进展，帮助推动了PIEZO的发现与研究成为了诺奖研究成果。
▲PIEZO的机械力感知分子机制研究进展总结。（图片来源：肖百龙教授供图）
基于肖百龙与李雪明课题组合作解析的PIEZO家族成员PIEZO1与PIEZO2的三维结构等研究，研究者们提出了PIEZO的机械力感知机制猜想：PIEZO形成三聚体三叶螺旋桨状离子通道，中心是负责离子通透的孔道部分，外周是三个负责机械力感知的桨叶部分。孔道处于关闭态时，嵌在细胞膜中的桨叶呈现往细胞外高度弯曲的状态，形成我们称之为纳米碗（nanobowl）状的PIEZO-脂膜体系。
▲PIEZO通道的三聚体三叶螺旋桨状（左侧部分，俯视图）与纳米碗状（右侧部分，平视图）三维结构。（图片来源：Cell Press）
有研究显示PIEZO1蛋白可以在受力刺激下发生可逆的形变。基于这些结构功能研究，研究者们提出当细胞膜张力改变时，PIEZO可以从弯曲状变为平展状，带动中间的孔道开放，从而将机械力刺激转化为阳离子流通。但事实上，在2021年诺奖颁布时，研究者们还未能解析出PIEZO受力开放的结构。膜上PIEZO在受力后是否会如诺奖示意图中所展示的一样，从弯曲的关闭态进入平展的开放态？这是PIEZO诺奖研究的未解之谜。得益于冷冻电镜在生物大分子结构解析方面的技术突破，研究者们可以解析出蛋白在静息、游离状态下的结构。但在生命过程中，生物大分子展现出千姿百态的变化，而这些变化往往取决于其组装形式、配体结合和所处的物理状态（膜环境、电势能、温度和力等）。如何在冷冻样品状态下，引入无形的膜张力来获取PIEZO的不同结构功能状态呢？肖百龙与李雪明指导四位博士生杨旭中、林超、陈旭东、李首卿对这一极具挑战的科学问题开展研究，借鉴前人把膜蛋白重组进脂质体中，并用冷冻电镜解析其结构的技术，最终首次建立了膜上受力结构解析体系。该策略的核心是通过蛋白与脂质体之间的曲率差异来引入膜张力，这对跨膜区呈纳米碗状的PIEZO蛋白尤为适用。
▲PIEZO1-脂质体冷冻电镜三维结构解析。（图片来源：参考资料[1]）
PIEZO1本身的曲率半径接近10 nm，其主要以outside-in的方式重组到脂质体中。在同等大小的脂质体中时，曲率相符呈圆形。当它重组进更大的脂质体中时，曲率半径的差异在两者间产生力，蛋白和膜发生形变，呈水滴状（上图图c）。而当一小部分PIEZO1以outside-out的方式重组到脂质体中（图b箭头所示），PIEZO1蛋白与脂质体的曲率半径朝向截然相反，膜与蛋白间产生的的作用力变大，导致PIEZO1蛋白处于受力展平的构象状态（图d）。研究者们最终得到PIEZO1在膜上契合状态（10 nm曲率半径）和受力展平的两种结构，分别命名为弯曲（Curved）和平展（Flattened）构象，佐证了PIEZO1蛋白具备可逆形变和感知脂膜曲率变化的特殊能力。
▲PIEZO1的弯曲（左侧）和平展状（右侧）三维结构。（图片来源：参考资料[1]）
▲两段视频展示了PIEZO1的弯曲（上侧）和平展状（下侧）三维结构。（图片来源：肖百龙团队）
通过比较PIEZO1在脂膜上弯曲和平展的两种结构，研究者们对PIEZO1感受膜张力后的动态构象变化、形变参数进行了定量分析，不仅验证了之前所提出的作用机制假说，并定量了PIEZO1的皮牛尺度的机械敏感性，进而建立了其曲率感知理论学说。综上，研究者们总结出PIEZO通道的受力形变与门控机制：在静息状态时，PIEZO1使脂膜发生弯曲，形成碗表面积为628nm2、投影面积为314nm2的纳米碗系统，PIEZO1与脂膜处于平衡。
膜张力改变时，平衡被打破，膜带动着PIEZO1蛋白一起展平。
展平的桨叶带动胞内侧的Beam发生杠杆运动，把形变传递到孔道区胞内侧，可能通过门闩-拴锁机制，打开三个侧向出口闸门，让离子流入细胞 。
展平的桨叶使其与帽子之间的相互作用被打破，帽子的旋转运动，加上桨叶的展平运动，共同使得孔道区上半段的疏水阀门打开，离子则由帽子下的空隙，侧向进入孔道。
▲PIEZO1的受力形变与门控机制模式图。（图片来源：参考资料[1]；视频来源：肖百龙团队）
总结而言，本研究首次实现了对机械力受体PIEZO1通道在脂膜上受力状态下的动态结构解析，揭示了其受力形变与脂膜曲率感知的特性，定量了其皮牛尺度的机械敏感性，建立了其曲率感知理论学说，从根本上解答了其将物理机械刺激转化成生物电信号这一PIEZO诺奖研究的未解之谜。无形的力在物理上可被定义为受力对象的形变。而PIEZO正是利用其纳米尺度的曲率形变去探测皮牛尺度的力，从而成为一类低能耗的超敏机械力感受器，不由让研究者们惊叹生命过程与物理原理的交汇之美！肖百龙教授、李雪明研究员为本论文的共同通讯作者，博士研究生杨旭中、林超、陈旭东、李首卿为共同第一作者。该研究得到了国家科技部“2030科技创新-脑计划与类脑计划”重大研究项目、国家自然科学基金委杰青项目以及重点项目、清华-北大生命科学联合中心、膜生物学国家重点实验室、高精尖结构生物学中心、生物结构前沿研究中心的项目经费支持。
肖百龙博士，清华大学药学院长聘教授，博士生导师；清华－北大生命科学联合中心、清华-IDG／麦戈文脑科学研究院、膜生物学国家重点实验室、高精尖结构生物学中心、生物结构前沿研究中心研究员；国家杰出青年科学基金获得者，国家高层次人才特殊支持计划入选者，科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目首席负责人。近年来致力于探究哺乳动物包括人类自身如何感知机械力这一生命科学本质问题，合作确立了PIEZO是哺乳动物中发现的首类机械门控阳离子通道，进而聚焦解答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，并致力于开发相关的新型药物和生物技术，迄今取得了系列重要研究成果。
肖百龙实验室长期招聘对机械力感知的分子与神经机制研究以及药物发现感兴趣的博士后与科研人员，有意向者请邮件联系：xbailong@mail.tsinghua.edu.cn。
李雪明博士，清华大学生命科学学院长聘副教授，清华北大生命科学联合中心、结构生物学高精尖创新中心、生物结构前沿研究中心研究员。李雪明长期从事冷冻电子显微学方法和技术的研究以及相关的生物学应用研究，近年来将深度学习和粒子滤波等多项技术引入冷冻电镜领域，开展了微晶电子衍射技术相关的研究工作，取得了重要成果，解析了多个具有重要生物学意义的生物大分子结构。
[1]
Yang XZ, Lin C, Chen XD, Li SQ et al. Structure deformation and
curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes. Nature (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04574-8
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