清華新聞網(wǎng)4月17日電 機(jī)械門(mén)控離子通道在生命體感知外界機(jī)械刺激的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，Piezo蛋白作為一類(lèi)保守存在于多種生物中的機(jī)械門(mén)控離子通道，在哺乳動(dòng)物中參與調(diào)控觸覺(jué)、本體感覺(jué)、心血管發(fā)育與功能、骨形成與重塑、免疫調(diào)控以及大腦結(jié)構(gòu)與認(rèn)知功能等多種生理過(guò)程。盡管Piezo家族在進(jìn)化過(guò)程中具有高度保守性，但不同物種之間Piezo通道在結(jié)構(gòu)與功能上的差異，尤其是離子選擇性方面的適應(yīng)性變化，長(zhǎng)期以來(lái)仍未被充分理解。
近期，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍教授團(tuán)隊(duì)與生命學(xué)院李雪明副教授團(tuán)隊(duì)合作揭示了果蠅Piezo通道在離子選擇性方面的獨(dú)特特性，進(jìn)而結(jié)合三維冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析與電生理功能實(shí)驗(yàn)，闡明了Piezo通道的離子選擇性的物種適應(yīng)性機(jī)制，推動(dòng)了對(duì)Piezo家族的物種進(jìn)化機(jī)制的理解。
研究人員首先比較了哺乳動(dòng)物小鼠Piezo1與果蠅Piezo（dPiezo）的離子通透特性。結(jié)果顯示，小鼠Piezo1主要通透多種陽(yáng)離子，如鈉、鉀和鈣離子，而對(duì)氯離子的通透性極低（圖A）。出乎意料的是，果蠅dPiezo不僅對(duì)二價(jià)陽(yáng)離子（如Ca2+、Mg2+）具有顯著更高的選擇性，同時(shí)對(duì)氯離子（Cl-）也表現(xiàn)出異常強(qiáng)的通透能力，其氯離子通透性甚至遠(yuǎn)高于常見(jiàn)的單價(jià)陽(yáng)離子（圖A）。這種同時(shí)偏好陰離子和二價(jià)陽(yáng)離子的“雙重選擇性”，在已知離子通道中極為罕見(jiàn)，提示dPiezo可能具備獨(dú)特的功能定位。
為了揭示這一現(xiàn)象的分子機(jī)制，研究人員進(jìn)一步解析了dPiezo的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，盡管dPiezo與小鼠Piezo1關(guān)閉態(tài)在整體結(jié)構(gòu)上仍保持典型的三聚體“螺旋槳狀”構(gòu)型，但其局部構(gòu)象呈現(xiàn)出明顯差異，例如整體更加“扁平化”，且跨膜孔道呈現(xiàn)擴(kuò)張狀態(tài)，可能代表了一種獨(dú)特的失活構(gòu)象（圖B）。
通過(guò)一系列嵌合突變和電生理功能實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，“側(cè)向門(mén)塞”（lateral-plug）結(jié)構(gòu)域的“plug-linker”是決定dPiezo離子選擇性的核心元件（圖A）。側(cè)向門(mén)塞位于Piezo通道胞內(nèi)側(cè)出口處，可控制胞內(nèi)側(cè)側(cè)向離子通路的開(kāi)放。當(dāng)該區(qū)域被替換或刪除時(shí)，dPiezo對(duì)Ca2+和Cl-的選擇性顯著下降，降至小鼠Piezo1的水平（圖C）。
進(jìn)一步機(jī)制研究顯示，dPiezo中的側(cè)向門(mén)塞不僅參與離子選擇，還通過(guò)限制離子通道的開(kāi)放程度來(lái)調(diào)控單通道電導(dǎo)。與小鼠Piezo1相比，dPiezo的單通道電導(dǎo)顯著更低，而將dPiezo的側(cè)向門(mén)塞替換為小鼠Piezo1的相應(yīng)區(qū)域會(huì)顯著提高其電導(dǎo)（圖C）。此外，進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)與功能分析還揭示，在dPiezo中，多個(gè)關(guān)鍵氨基酸殘基（如H1391、R1396等）通過(guò)靜電相互作用穩(wěn)定了側(cè)向門(mén)塞與周?chē)Y(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象，從而在dPiezo中形成一個(gè)對(duì)Ca2+和Cl-具有選擇性的“篩選通道”，當(dāng)這些相互作用被破壞時(shí)，dPiezo不僅離子選擇性顯著下降，通道的電導(dǎo)也明顯增加（圖D）。
小鼠Piezo1和果蠅Piezo的結(jié)構(gòu)保守性與離子選擇性差異及其分子機(jī)制
值得一提的是，研究還揭示了dPiezo離子選擇性的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明，通道對(duì)Ca2+和Cl-的選擇性受環(huán)境pH顯著影響，在酸性條件下選擇性明顯增強(qiáng)，而這一調(diào)控依賴(lài)于關(guān)鍵殘基H1391的質(zhì)子化狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)提示，dPiezo不僅在結(jié)構(gòu)上具備獨(dú)特性，還能夠根據(jù)生理環(huán)境變化靈活調(diào)節(jié)其功能。
從進(jìn)化角度來(lái)看，研究提出，Piezo通道在從無(wú)脊椎動(dòng)物到脊椎動(dòng)物的演化過(guò)程中，其側(cè)向門(mén)塞結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了功能轉(zhuǎn)變：在果蠅中主要作為離子選擇過(guò)濾器，而在哺乳動(dòng)物中則更多參與通道的機(jī)械門(mén)控調(diào)節(jié)。這種從“選擇性”向“高效導(dǎo)通”的轉(zhuǎn)變，可能反映了不同生物對(duì)機(jī)械感知效率與精度的不同需求。
總體而言，該研究不僅首次揭示了Piezo離子通道中罕見(jiàn)的雙離子選擇性機(jī)制，還明確了側(cè)向門(mén)塞結(jié)構(gòu)在調(diào)控離子通透中的核心作用，為理解Piezo離子通道的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系及其進(jìn)化規(guī)律提供了全新視角，也為相關(guān)疾病機(jī)制研究和潛在藥物靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。
研究成果以“機(jī)械門(mén)控離子通道Piezo的結(jié)構(gòu)保守性與離子選擇性的適應(yīng)性”（Structural conservation and ion selectivity adaptation of the mechanically activated Piezo channel）為題，于3月30日發(fā)表于《神經(jīng)元》（Neuron）。
清華大學(xué)藥學(xué)院教授肖百龍和生命學(xué)院副教授李雪明為論文共同通訊作者，肖百龍課題組已畢業(yè)博士生原靜怡、王莉博士和李雪明課題組已畢業(yè)博士生劉斯嘉為論文共同第一作者。
研究得到國(guó)家科技部2030科技創(chuàng)新—“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目/創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、新基石研究員項(xiàng)目、北京市卓越學(xué)者項(xiàng)目、中國(guó)教育部基礎(chǔ)與交叉學(xué)科突破計(jì)劃和深圳市醫(yī)學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)的經(jīng)費(fèi)支持，同時(shí)得到清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、膜生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627326001364?sessionid=
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
