清华大学肖百龙、李雪明团队合作发Nature揭示诺奖蛋白PIEZO1响应机械力刺激的机制
FUTURE | 远见 闵青云 选编
近日，国际权威学术期刊《自然》（Nature）在线刊登标题为「PIEZO1在脂膜中的结构形变与曲率感知」（Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes）的重大技术进展。本论文的共同通讯作者为清华大学药学院肖百龙教授、生命学院李雪明研究员，药学院2019级博士生杨旭中、2018级博士生陈旭东和生命学院2018级博士生林超、2017级博士生李首卿为共同第一作者。
研究背景
力无处不在，当然也存在于我们体内，并控制我们的日常行为，例如呼吸、拥抱、亲吻、行走、刷手机、血压飙升等。力是无形的，那人体如何感知？直到2010年，美国加州拉霍亚的斯克里普斯研究中心阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）团队报道了一类感知机械力的分子受体—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。因为发现PIEZO并证明其触觉受体的功能，阿登·帕塔普蒂安与戴维·朱利叶斯（David Julius，温度受体发现者）共同荣获2021年诺贝尔生理学或医学奖。
人类感知的基础是电信号，那么PIEZO蛋白是如何将机械刺激转化成生物电信号呢？2012年，在阿登·帕塔普蒂安课题组从事博士后研究期间，肖百龙与同事证明了PIEZO是机械门控阳离子通道。通俗来说，PIEZO坐落在细胞膜上，如同水库大坝，当力作用，使PIEZO通道打开后，钙等阳离子涌入细胞，从而引发电和化学信号。而PIEZO功能的失常，将导致一系列疾病的发生，比如无法控制自身肌肉、异常的疼痛感觉等。
所以问题的关键是，PIEZO蛋白如何响应力的刺激，打开通道？2013年肖百龙来到清华大学组建团队，致力解决这一核心科学问题。我们知道结构决定功能：车轮的圆形便于其滚动；剪刀的交叉便于其裁剪，这个道理对微观世界的蛋白同样适用。基于清华卓越的冷冻电镜平台，10年来，肖百龙与李雪明团队已经解析了PIEZO家族成员PIEZO1与PIEZO2的三维结构：它们如同三叶螺旋桨，其中心是离子通透的孔道，外周是三个感知机械力的桨叶（图1左）。有趣的是，在孔道关闭时，嵌在膜中的桨叶高度卷曲，甚至可能弯曲细胞膜，形成纳米碗（nanobowl）状的凹陷（图1右）。
研究创新点
图1 PIEZO通道的三聚体三叶螺旋桨状（左图，俯视图）与纳米碗状（右图，平视图）三维结构
基于这种独特的结构，肖百龙团队及其他课题组进一步研究（图2），并提出猜想：当细胞膜张力改变时，PIEZO可以从弯曲变为平展状，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的电信号（图3左下）。
图2 PIEZO的机械力感知分子机制研究进展总结
这些工作（图2）推动了「PIEZO的发现与研究」成为2021年诺贝尔生理学或医学奖的研究成果（图3）。但在诺奖颁发时，研究者们还未能解析出PIEZO受力开放的结构。膜上PIEZO在受力后是否如诺奖示意图中所展示的一样（图3左下），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。
图3 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（下右）、以及结构模型与机械力感知假说猜想（下左）
揭开谜团的难点在于，如何引入力？蛋白并不是靠「呆若木鸡」的状态来发挥功能，其结构的变化才是生命奥妙所在。但迄今为止，还未有人成功解析膜上蛋白受力变化时的结构。肖百龙与李雪明指导杨旭中、林超、陈旭东和李首卿四位博士生，对这一尖端难题发起挑战，最终首次建立了膜上受力结构解析体系(图4)。该策略的核心是把PIEZO蛋白重组到脂质体上，并利用蛋白与膜的曲率差异，产生膜张力和弯曲力。基于该技术突破，研究者们首次获得了PIEZO在膜上的弯曲结构（图5左），及受力展开的结构（图5右）。
图4 PIEZO1-脂质体冷冻电镜三维结构解析
图5 PIEZO1膜上弯曲和展平结构
通过结构分析，研究者们发现PIEZO1利用其固有的变形能力和结构重排，同时实现其非凡的力学敏感性和对流通离子的选择性：首先，PIEZO1弯曲和展平的结构（图5）以及脂质体囊泡水滴和D型的形状(图6)，表明PIEZO1既能弯曲脂膜，又能直接感知曲率引起的张力变化，而发生形变。
图6 PIEZO1脂质体的曲率形态变化
其次，PIEZO1-膜系统在展平的过程中，膜投影面积扩展了约300nm2(图7左)，结合前人研究，研究者计算出从弯曲状态到平展状态的转变需要施加92pN的力，570pN·nm的做功。换算为张力，则需要1.9pN/nm(图7右)，接近实验测量值1.4pN/nm。至此，研究者建立了对PIEZO1固有的曲率力学灵敏度的精确定量描述。
图7 PIEZO1-膜系统的形变参数测量以及机械敏感性计算
最后，研究者观察到，感受曲率变化的桨叶末端，虽然有剧烈的形变，但通过PIEZO内部的纳米杠干传递和帽子旋转运动，使其转化为侧塞门和跨膜门的适度打开(图8)，保证了同时具有高机械灵敏度和阳离子选择性。
图8 PIEZO的受力形变与门控机制模式图
本研究在结构解析领域取得重大技术进步，为离子通道在脂质双分子膜上的结构动力学研究提供了范例。此外，该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！
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04574-8
--清华大学