Nature： 机械敏感Piezo离子通道的曲率门控机理终得证实

来源：BioArt

机械传导是生物体感受环境机械刺激并做出反应的重要生理过程。人体能感受触摸、疼痛，感知自己肢体在空间中的位置并保持平衡，感受血管中的血流并调节血压，这些生理功能都依赖于细胞对于内外环境中机械力的精确感知。目前已知在人体中行使这项功能的是一类名为Piezo（希腊语中意为“压力”）的机械敏感离子通道。离子通道是一种跨膜蛋白，能在特定的生理条件下打开孔道，选择性地使某种离子跨越细胞膜，从而改变细胞膜内外的电势差以及离子浓度，进而调节细胞的功能。而机械敏感的Piezo通道就是在细胞膜受到张力时打开，使钙离子等阳离子跨膜，促使细胞对所受张力做出相应的反应【1】。这样，Piezo通道就将环境中的机械力信号转化为了细胞内的电生化信号。由于Piezo通道在生理中的重要作用，Piezo通道的功能异常已经被发现与许多疾病相关，包括癌症、高血压、慢性疼痛、贫血、本体感觉缺陷等【2】。因此，通过研究Piezo通道的工作机理，包括它如何感受机械力，如何被生理环境调控，将帮助人们深入理解Piezo通道是如何导致或促进疾病的发生发展，从而为治疗相关疾病打开新的突破口。

尽管机械敏感离子通道对于人体健康十分重要，但相关研究还非常有限。大部分已知的离子通道都是由电压或是与某种特定的其它分子（配体）结合来调控开关的，由机械力门控的离子通道研究主要集中在细菌中，与人体生理需求区别很大。因此，哺乳动物中的第一个机械敏感离子通道Piezo刚被发现，就引起了美国洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授，Roderick MacKinnon的注意。MacKinnon教授长期致力于离子通道的功能及物理化学属性的研究，他因对钾离子通道的结构和机理的出色研究而获得了2003年诺贝尔化学奖。麦金农教授随即开始了对Piezo通道的深入研究，希望能揭示人体中的机械门控机理。

麦金农教授与实验室博士后郭雨松首先解析并发表了小鼠Piezo1通道的高分辨率近原子结构，即组成Piezo通道蛋白质的原子在三维空间中是如何分布的【3】。他们发现，Piezo通道由三条巨大的旋臂围绕中央孔道组成，而这三条旋臂使整个通道弯曲为一个圆顶的形状（图1）。在模拟细胞膜成分的磷脂双分子层球形脂质体中，Piezo通道也能使局部的磷脂膜发生同样的弯曲。这种弯膜的特性在其它离子通道中从未见到过，而恰好能与Piezo通道的机械门控功能相适应。因为通过计算自由能变化，通道从关闭到打开这两种构象在细胞膜平面上的面积变化决定了通道对机械张力的敏感性。因此，麦金农教授与郭雨松博士基于孔道关闭、弯曲构象的Piezo通道结构，提出了Piezo通道机械门控的全新机理假设：没有受力时，静息的Piezo通道是弯曲、关闭的，其圆顶表面积（大约400平方纳米）在细胞膜平面上有一个较小的投影面积（大约280平方纳米）；当受到张力时，Piezo圆顶的曲率将会变小（即变得比较平），因而在膜平面上的投影面积会增大，而这个面积变化所贡献的自由能差使得Piezo通道打开的构象在能量上更稳定，通道即打开，使阳离子通过。

图1 Piezo通道为三辐对称的旋臂结构并弯曲成圆顶状【3】

在这一基于结构信息的机理假设中，Piezo通道是由曲率变化来调控开关的，这样就能很好地解释已知的Piezo的电生理属性，比如在对阳离子具有选择性的同时还对机械力高度敏感。Piezo的这一曲率门控机理在机械传导相关领域引起了广泛的关注和讨论，但是因为没有直接的实验证明，还停留在一个假设的阶段。

2019年8月21日，威尔康奈尔医学院的生理学与生物物理学教授Simon Scheuring及博士后Yi-Chih Lin与MacKinnon教授、郭雨松博士合作在Nature杂志上发表了题为Force-induced conformational changes in PIEZO1，为Piezo曲率门控机理假设提供了直观明确的实验证明（BioArt注：Nature同期发表了清华大学的相关工作，详见BioArt此前的报道，Nature | 清华肖百龙/李雪明合作组解析机械门控通道PIEZO2）。

在文章中，研究者们首先展示了嵌入了Piezo通道的磷脂双分子层脂质体的冷冻电子显微镜成像图，Piezo通道在脂质体中保持了特征性的三辐旋臂结构。可以看到，与没有Piezo的正球形脂质体相比，嵌入了Piezo的脂质体从侧面看呈现泪滴状，Piezo通道局部的曲率要明显大于其所在脂质体的原有曲率（曲率半径即脂质体的半径）。通过进一步对不同大小脂质体在不同位置上曲率半径的测量，研究者们发现，随着脂质体的半径增大，嵌入其中的Piezo通道曲率半径也会增大，也就是说Piezo与周围磷脂膜所共同构成的圆顶在逐渐变平（图2）。在这个体系中，Piezo通道受到来自脂质体中磷脂分子的张力，而不同大小脂质体对应张力的变化使得Piezo通道呈现不同的曲率，与其曲率门控的机理假设一致！同时也可以看到，在所有大小的脂质体中，Piezo曲率始终是大于脂质体本身的，即使当脂质体趋于无穷大（即近似细胞膜平面时），Piezo依然保留了一定的曲率半径。也就是说，在平的细胞膜上，Piezo通道仍然会呈现圆顶状，而这个圆顶的弯曲程度能够随着膜上的张力发生变化。

图2 Piezo通道随着脂质体增大而变平

随后研究者们使用高速原子力显微镜对磷脂膜中的Piezo通道进行成像分析。高速原子力显微镜通过机械探针极其精确地以高频率在样品表面轻触扫描，从而在施加力的同时产生样品表面的图像。当探针以较低的力（大约20皮牛顿）进行扫描时，原子力显微镜下的Piezo通道同样清晰地展示了其三辐对称的旋臂结构，其测量尺寸也与冷冻电镜结构一致（半径约11纳米）。然而当探针施加的力逐渐增加到大约55皮牛顿时，Piezo通道发生了明显的变化（图3），其半径增加到约17纳米，同时高度也降低了约5纳米，这证明了Piezo圆顶在受力时的确会变平！更重要的是，这一变化是可逆的，当探针施加的力恢复到较低水平时，Piezo通道的形状也恢复到初始较弯的状态。可以想象，Piezo在细胞膜上发生类似的形变：受力时变平，通道打开；力撤走后恢复弯曲，通道关闭。通过对图像中Piezo通道的形变测量以及探针施力的估计，研究者们将Piezo通道简化为一个圆顶形的弹簧模型，并估算了其弹性系数和开关自由能变化。尽管由于技术限制，高速原子力显微镜对于力的测算不能十分准确，这项实验的环境条件也与生理条件有所差异，但由此推算得到的Piezo通道激活时所需要的张力值与细胞电生理实验所得到的数据相符合，从侧面支持了原子力显微镜结果的适用性。

图3 Piezo通道在受力时的原子力显微镜成像。

结合高速原子力显微镜和冷冻电子显微镜，Scheuring实验室和MacKinnon实验室的研究者们证实了Piezo通道在受力时发生曲率减小的构象变化，与之前提出的Piezo通道的曲率门控机理相一致。由于Piezo通道广泛分布于多种器官多种细胞类型，包括肺、膀胱、小肠、胰腺、甚至血管和感觉神经系统，针对Piezo工作机理的这项发现将有助于我们从全新的角度理解和治疗许多人类疾病。比如，曲率门控机理预测在胆固醇含量较高从而弯曲模量较大（即比较硬）的细胞膜中，Piezo通道会对机械力更敏感、更容易打开。如果这是血管壁上的细胞膜，那过高的胆固醇可能会导致其中的Piezo通道活性异常，影响其帮助调节血压的正常功能。

关于Piezo曲率门控机理的这些发现能帮助我们理解Piezo通道在许多疾病中的作用，指导开发新的治疗方案，期待科学家们的后续研究！

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1499-2

参考文献

1. Coste, B. et al. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 330, 55–60 (2010).

2. Wu, J., Lewis, A. H. & Grandl, J. Touch, tension, and transduction – the function and regulation of Piezo ion channels. Trends Biochem. Sci. 42, 57–71 (2017).

3. Guo, Y. R. & MacKinnon, R. Structure-based membrane dome mechanism for Piezo mechanosensitivity. eLife 6, e33660 (2017).