2021诺奖成果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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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。”
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]。
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。
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。
“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).
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