清華大學最新Nature！冷凍電鏡又出新成果
本文轉載自「結構生物學高精尖創新中心」，原標題：肖百龍與李雪明課題組合作在《自然》發文報道細胞「感知」機械力的精巧分子機器結構與機制。
機械門控陽離子通道是一類能夠響應機械力刺激而引起陽離子進出細胞、進而誘發細胞興奮和信號傳遞的一類重要離子通道，然而其在哺乳動物中的分子組成長期未被發現確定。直到2010年，Piezo基因家族包括Piezo1和Piezo2兩個基因被編碼該類通道的必要組成成分 (Coste et al., Science 2010)。
隨後於2012年，肖百龍博士與其同事合作在《自然》期刊報道Piezo蛋白構成機械門控通道的孔道組成成分，從而首次確立了Piezo通道這一全新機械門控離子通道家族。該論文被湯森路透收錄為高被引論文。
Piezo通道作為機械力受體能夠被擠壓、牽張以及流體剪切力等不同形式的機械力所激活。 表達在血管內皮細胞中的Piezo1被證實作為剪切力受體感知血流，從而控制血管發育以及進行血壓調節，而表達在感覺神經細胞中的Piezo1被證實承擔觸碰及本體感知分子受體的功能。Piezo1基因人類遺傳突變引起乾癟紅細胞增多症、淋巴管發育不良症；而Piezo2基因突變導致遠端關節彎曲綜合症及觸碰感知缺陷。因此，Piezo通道具有非常重要的生理、病理功能，也是重要的藥物靶點。
肖百龍博士課題組致力於對Piezo通道進行深入系統研究並取得了系列重要研究進展。
2015：肖百龍課題組合作在《自然》期刊率先報道了Piezo1通道中等解析度的冷凍電鏡三維結構，揭示了其三葉螺旋槳狀三維構造特徵。
2016：在神經科學頂級期刊《神經元》(Neuron) 報道了Piezo1通道負責離子通透與選擇性的孔道區模塊以及負責機械力感受與傳導的機械感測模塊。
2017：在《自然?通訊》報道Piezo通道的新型調控蛋白SERCA並闡明了其對Piezo通道活性調控的作用機制。
然而，Piezo通道的高解析度三維結構以及其如何感知機械力並精準控制陽離子特異性通透的分子機制尚不清楚。
在最新的這篇《自然》論文中，他們首先結合蛋白表達純化、單顆粒冷凍電鏡及三維重構技術，經過兩年多的不懈努力，克服Piezo1通道三維結構的不穩定性，最終成功解析出其高解析度結構，揭示了其獨特而精巧的構造特徵以及關鍵結構域的氨基酸組成。Piezo1通道整體呈現三聚體三葉螺旋槳狀結構 (圖a)，其中心為控制離子通透的孔道部分，包含「帽子」結構域（Cap）、IH 與OH組成的跨膜孔道以及胞內羧基端部分（CTD）所組成的三個側向離子出口（portals）(圖d)；而其外周特徵性結構域包括「槳葉」（blade）、「長桿」（beam）以及「錨定區」（anchor）(圖a-c)。
非常有意思的是，他們發現其槳葉部分卻由共9個重複性的、以4次跨膜區為基礎的結構單元串聯而成，並把這一特徵性的結構域以清華大學的英文縮寫命名為THU (Transmembrane Helical Unit)。據此，Piezo1蛋白以每個亞基包含38次跨膜區、總計114次跨膜區的形式組裝成目前已知的跨膜次數最多的一類膜蛋白複合物 (圖b-c)。而且，不同於其它離子通道類型，Piezo1通道的跨膜區以大麴度、而非平面形式存在。他們認為這可能是Piezo通道能有效感知細胞膜張力變化的重要結構基礎之一。
3根長約90 ?的長桿結構將遠端槳葉區連接到中心孔道區部分 (圖b-c)。通過對所獲得的結構數據進行進一步的三維分類比較分析，他們發現外周槳葉及beam的遠端部分存在劇烈的構像變化，而中心孔道區及beam的中心端部分只顯示輕微的位移變化。Piezo1結構的構象變化契合槓桿作用原理。因此，他們提出了Piezo1通道以外周THU作為機械力感受器、而beam作為機械傳遞裝置，從而完成其精細機械力感知與傳遞的機械門控機制假說。
a，Piezo1通道的三聚體冷凍電鏡示意圖；
b，由38次跨膜區組成的Piezo1拓撲結構示意圖；
c，Piezo1一個亞基細節組成展示圖；
d, Piezo1成孔區的組成。參與機械力激活Piezo1的胞外loop區以及位於beam上的L1342與L1345位點顯示在b及c圖。
為了從功能上驗證這一假說，利用生化和電生理實驗，他們鑒定發現遠端THU胞外區以及位於beam上靠近中心端的兩個氨基酸L1342/L1345對於Piezo1通道的機械力激活非常重要。據此，他們首次提出beam可能形成以L1342/L1345為支點的槓桿結構(圖b-c)，將位於其長臂端的漿葉區大的構象變化轉化成位於其短臂端的中心孔道區的相對細微構象變化，從而在進行機械力的傳遞和放大的同時，保證中心孔道陽離子的特異性通透。三套精細的槓桿傳遞裝置進一步組裝成一個複雜而有序的三聚體螺旋槳狀結構來行駛其機械門控通道的功能。
肖百龍博士表示以上研究進展為下一步深入理解遺傳突變如何導致Piezo通道功能失常並引起人類疾病、藥物篩選與技術開發提供了重要線索。
清華大學藥學院肖百龍和清華大學生命學院、結構生物學高精尖創新中心李雪明為本論文共同通訊作者。肖百龍課題組趙前程博士、2015級生科院博士生周珩、2016級藥學院博士生池少鵬以及2013級生科院博士生王燕峰為本文並列第一作者。北京生命科學研究中心董夢秋博士及其課題組的博士生王建華，清華大學王佳偉研究員以及肖百龍課題組的耿潔、吳坤、劉文豪、張廷鑫也參與了部分研究工作。本研究得到了國家自然科學基金委以及科技部 (31630090, 2016YFA0500402, 31422027, 31371118, 2015CB910102, 31570730, 2016YFA0501102, 2016YFA0501902, 21375010)、清華-北大生命科學聯合中心和北京結構生物學高精尖創新中心的資助。該研究同時也得到了清華大學冷凍電鏡平台、清華大學高性能計算平台以及國家蛋白質設施實驗技術中心(北京)的支持。清華大學顏寧教授在論文投稿過程中提供了重要幫助。
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