Nature:Piezo离子通道研究成果

日期: 2018年04月04日


    

导读:清华大学药学院,清华—北大生命科学联合中心等处的研究人员围绕Piezo离子通道展开了系列研究,取得了一系列重要的成果,相关研究成果公布在Neuron杂志上。下面,赛业小编为您推荐“Nature:Piezo离子通道研究成果”,详情如下:


清华大学药学院的肖百龙研究组围绕Piezo离子通道展开了系列研究,取得了一系列重要的成果。


Piezo蛋白是什么?


机械敏感性阳离子通道通过一个叫做机械力传导的过程,在将机械刺激转化为各种生物活动,如触觉、听觉和血压调控中起着重要的作用。近期鉴别出的Piezo蛋白是后生动物中人们长期寻求的机械敏感性阳离子通道的一个成孔亚基。研究证实果蝇的Piezo基因与机械伤害感受有关。在脊椎动物中有两种Piezo蛋白:Piezo1和Piezo2。


在包括鱼类、鸟类、啮齿类动物和人类在内的脊椎动物中,Piezo2介导了轻触觉。相比之下,Piezo1在多种生理过程,包括感知血流剪切应力以正确形成血管,调控红细胞功能,及控制细胞迁移和分化中发挥广泛的作用。在人类,PIEZO1或PIEZO2突变与几种遗传病,包括脱水遗传性口形红细胞增多症、5型关节挛缩症、Gordon综合征及Marden–Walker综合征有关。这些研究发现表明了Piezo通道的功能重要性、病理相关性及作为治疗靶点的潜力。


2015年


尽管证实了Piezo蛋白的功能重要性,但目前对于它们的门控机制和三维(3D)结构却并不清楚。2015年研究人员通过结合蛋白质工程、X-射线晶体学、单颗粒冷冻电子显微镜及活细胞免疫染色,获得了分辨率为4.8埃(Å)的全长(2,547个氨基酸)小鼠Piezo1 (Piezo1)的结构。由此提供了有关这类新型机械敏感性离子通道离子传导及门控机制的一些重要见解。


这一研究成果公布在Nature杂志上。


2016年


尽管已知哺乳动物机械敏感性阳离子通道Piezo在各种机械力传导过程中起重要作用。但科学家对于它们的离子渗透和机械力传导机制却仍知之甚少。


研究人员报告称发现了Piezo1微型的成孔模块,其与其他三聚体离子通道的孔结构相似,编码了一些重要的孔特性。研究人员进一步在这一孔模块中鉴别出了一些决定单通道电导、孔道堵塞,二价和单价阳离子与阴离子离子选择性的特异残基。他们证实Piezo1不含孔区域可赋予机械不敏感三聚体酸感受离子通道机械敏感性,表明Piezo1通道的内在机械力传导模块与它们的孔模块分离。


这一研究成果公布在Neuron杂志上。


2017年


研究人员首先利用蛋白纯化、质谱、生化、细胞免疫染色等技术鉴定发现Piezo1的一类新型互作蛋白SERCA2。SERCA2是定位在内质网膜上的钙离子转运泵,在各种细胞中广谱表达,对维持细胞内的钙稳态至关重要。他们进一步鉴定出 Piezo1蛋白中负责与SERCA2相互作用的位点是位于孔道区与机械门控结构域之间的一段连接区。突变该连接区 或添加该连接区的合成多肽可以有效地拮抗Piezo1和SERCA2的相互作用。


研究人员利用膜片钳电生理技术,发现SERCA2能够抑制Piezo蛋白的通道活性,并且这种抑制作用是依赖于SERCA2与Piezo1中的连接区的相互作用实现的。因此,他们推测SERCA2结合到这段连接区减弱了Piezo1通道的机械传感模块区和孔道模块区之间的有效耦合,从而抑制了Piezo1的通道活性。与此相吻合,突变Piezo1的连接区显著减弱其机械门控电流。这些实验数据进一步支持其研究组所提出的 Piezo1通道的模块化工作机制假说。


Piezo1在血管内皮细胞中承担血流所造成的剪切力受体的角色,进而控制血管内皮细胞的重排和血管发育。他们发现 SERCA2能够通过调控Piezo1的通道活性进而控制血管内皮细胞的迁移,而且他们所鉴定到的连接区合成多肽可以增强血管内皮细胞的迁移功能。这些研究结果为基于这一蛋白互做调控模式的潜在药物开发提供了重要线索。


这一研究成果公布在Nature Communications杂志上。


2018年


1月份,研究人员在Nature上发文,通过解析哺乳动物机械门控Piezo1离子通道的高分辨率三维结构,揭示了这种通道参与机械力感受与传递的关键功能位点,进而首次提出了Piezo通道以类似杠杆原理进行机械门控的精巧工作机制。该研究对理解生物机体如何将机械力刺激转化为电化学信号这一基本生命过程具有重要意义。


4月份,研究人员又针对 Piezo通道缺乏药理学工具分子这一问题,其研究组首先利用高通量药物筛选的方法鉴定发现了Piezo1通道的两个小分子化合物激动剂,取名为Jedi。利用Jedi做为工具分子并结合电生理膜片钳技术、Piezo通道的突变体的构建和功能检测、以及表面等离子共振技术进行蛋白和药物结合检测,他们发现Jedi结合在Piezo1通道外周桨叶(Blade)的胞外部分。非常有意思的是Jedi与Piezo1结合后会利用Piezo1关键机械传感元件,包括胞外loop区域L15-16和L19-20以及胞内的长杆结构(Beam)上的L1342和L1345两个氨基酸位点,来远距离激活位于中心的负责离子通透的孔道区(图A-C)。

 

Piezo1通道利用杠杆原理进行化合物(Jedi)或机械门控的作用机制示意图
图Piezo1通道利用杠杆原理进行化合物(Jedi)或机械门控的作用机制示意图。(A,B)由9个重复性的、以4次跨膜区为基础的跨膜螺旋单元(THU)所组成的38次跨膜区的拓扑结构示意图(A)及结构组成展示图(B)。(C)Piezo1通道的三聚体三叶螺旋桨状结构。参与机械力及Piezo1激动剂(Jedi)感受与传递的关键功能位点1-3组成分子内杠杆传递装置,从而将外周THU所感知的细微机械力或小分子化合物Jedi结合(F1,蓝色虚线箭头)有效传递并放大到用于控制中心孔道区开放的作用力(F2,红色虚线箭头),从而有效控制其通道的开放和选择性阳离子通透(图B,C)。


基于其研究结果,他们提出了Piezo通道利用杠杠原理进行远程化合物与机械门控的作用机制假说(图A,B),他们认为Piezo1通道利用由9个THU组成的Blade作为机械力感受器,而其Beam结构以L1342/L1345所在位点作为支点形成分子内杠杆传递装置,从而将外周THU所感知的细微机械力或小分子化合物结合(F1,蓝色虚线箭头)有效传递并放大到用于控制中心孔道区开放的作用力(F2,红色虚线箭头),从而有效控制其通道的开放和选择性阳离子通透(图B,C)。这一分子内信号传递通路与机制的揭示为后续开发Piezo1通道的小分子药物提供了重要线索。


作者简介:


肖百龙博士自2013年1月起在清华大学药学院(原医学院药学系)、清华-北大生命科学联合中心、IDG/麦戈文脑科学研究所担任研究员、博士生导师,是青年千人计划、基金委优秀科学基金获得者。他于2001年从中山大学生命科学学院生物化学专业获得理学学士学位。2001-2006年期间就读于加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)并获得心血管分子生物学专业博士学位,导师是Wayne Chen教授。2007-2012年期间在美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)从事神经科学博士后研究,主要开展触觉痛觉分子细胞学机制的研究工作,导师是Ardem Patapoutian教授。


原文标题:


A lever-like transduction pathway for long-distance chemical- and mechano-gating of the mechanosensitive Piezo1 channel


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