科学家发现压力感知蛋白Piezo的工作原理

复合低温电子显微镜图像显示内嵌Piezo通道的脂质囊泡、Piezo通道的结构（顶部），由高速原子力显微镜记录的单个Piezo通道在外力作用下的地形图像（圆圈），以及Piezo随着施加的力在膜内的横向扩张的图像 (右图)。

压力感知蛋白Piezo在人体中起着传感器的作用，用于感知触摸、膀胱充盈和血压等机械刺激。近日，来自美国威尔·康奈尔医学院和洛克菲勒大学的一组科学家阐明了Piezo的基本工作机制，这一发现是基础科学的一项壮举，也为研究Piezo蛋白在人类疾病中的作用和潜在的新型治疗策略开辟了许多新的途径。

在8月21日发表在《自然》杂志上的这项研究中，科学家们使用了先进的显微镜技术对静止状态下和施加机械力过程中的Piezo蛋白进行了成像，证实了这种复杂蛋白质的结构，并从本质上展示了它如何将机械刺激转化为电信号。

“我们的分析表明，Piezo1嵌入细胞膜后，细胞膜上的张力会使蛋白结构变平、变宽。”论文的共同通讯作者Simon Scheuring博士说，他是威尔·康奈尔医学院麻醉生理学和生物物理学教授。Scheuring的实验室与洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授Roderick MacKinnon的实验室合作进行了这项研究。MacKinnon博士因其对离子通道蛋白结构和机制的研究而获得了2003年的诺贝尔化学奖。

Piezo1和Piezo2是具有独特结构的大型复杂蛋白质。它们嵌在某些类型细胞的膜中，将作用于细胞的机械力转化为改变细胞活性的电信号。Piezo1蛋白在膀胱细胞中工作，例如检测膀胱何时充满，也在血管内膜细胞中工作，检测并帮助调节血压的变化。Piezo2蛋白在皮肤和关节的感觉神经末梢起作用，帮助调节触觉、痛觉和本体感觉。

近年来，成像技术的进步使得科学家们能够确定Piezo1的基本结构，它和Piezo2有很大的相似之处：从上面看，这个结构有一个三臂螺旋桨或“三棱”外观。从侧面看，则像是一个浅碗嵌入了细胞膜，在其中心有一个离子通道，当后者打开时，钙和其他带正电荷的离子就会流入细胞。但机械力打开离子通道的基本机制仍然是个谜。而在这项新研究中，Scheuring博士和MacKinnon博士等人，包括第一作者、麻醉学博士后林毅志（音译）博士，更加清晰地解析了Piezo是如何工作的。

他们将低温电子显微镜和高速原子力显微镜（用超灵敏的机械探针触摸物体表面来产生物体的图像）相结合，表明了Piezo1是一种有弹性的结构，通常会使细胞膜弯曲，但当施加机械力时，它就会变平。Scheuring博士说：“随着膜张力的增加，Piezo1的结构变平，并向外延伸，占据更大的区域，这反过来打开了离子通道。”

他也指出了其他刺激使Piezo1结构拉伸或变平的可能性，如从内部施加在Piezo“手臂”上或从外部施加在细胞外CED结构域上的拉力，原则上也可以打开离子通道，使其成为适合多种细胞类型和生理功能的通用机制。

此外，考虑到包括肺、膀胱、肠道和胰腺在内的器官中细胞类型的多样性，以及血管和感觉神经系统中细胞的多样性，Piezo蛋白基本机制的发现可能会为理解并治疗许多人类疾病带来新方法。Scheuring说：举个例子，如果血管内壁的细胞膜含有过量得胆固醇，它们就会变得更硬，增加嵌入其中的Piezo 1蛋白的背景张力，并可能破坏这些蛋白检测和帮助调节血压的正常能力。我们的发现引发了对Piezo蛋白在疾病中作用的许多预测，将来大家可以进行深入研究。”

科界原创  

编译：花花 

审稿：阿淼 

责编：张梦

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/wcm-sdt082119.php

版权声明：本文由科界平台原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。