清華大學(xué)研究人員在《自然》發(fā)文揭示哺乳動(dòng)物機械敏感離子通道冷凍電鏡結構

　　2015年9月21日，清華大學(xué)生命學(xué)院楊茂君教授，高寧研究員和醫學(xué)院肖百龍研究員研究組合作在《自然》(Nature)雜志上以長(cháng)文形式在線(xiàn)發(fā)表了題為《哺乳動(dòng)物機械敏感Piezo1離子通道的結構》(Architecture of the Mammalian Mechanosensitive Piezo1 Channel)的研究論文，首次報道了哺乳動(dòng)物機械力敏感離子通道Piezo蛋白的高分辨率冷凍電鏡結構，并以此為基礎對Piezo蛋白的作用機理進(jìn)行了分析。

　　Piezo蛋白是由美國加州Scripps研究所Ardem Patapoutian教授研究組在 2010年首次鑒定得到的第一個(gè)真核生物機械力敏感離子通道。該蛋白與目前已知的所有離子通道蛋白均沒(méi)有同源性，尤其值得一提的是，該蛋白是目前已知所有膜蛋白中跨膜區最多的蛋白。自從該蛋白被發(fā)現以來(lái)，在世界范圍內掀起了一股Piezo蛋白研究的熱潮，多個(gè)研究組先后在世界頂級雜志發(fā)表多篇研究論文闡述了該蛋白的重要生理功能。與低等生物中只存在一個(gè)Piezo蛋白不同，在高等生物中存在兩類(lèi)Piezo蛋白，Piezo1和Piezo2，在人類(lèi)中二者具有47%的同源性。Piezo2蛋白主要在感覺(jué)背根神經(jīng)節中高表達，近年來(lái)的研究表明其主要與生物體感受外界觸碰即感覺(jué)相關(guān)。Piezo1主要在肺、膀胱、紅細胞和皮膚細胞中高表達，在紅細胞中功能獲得性突變可導致干癟細胞增多癥和裂口紅細胞癥等遺傳性疾病。2014年，利茲大學(xué)的David Beech教授和加州Scripps研究所Ardem Patapoutian教授研究組分別獨立發(fā)現Piezo1蛋白可以為血管中的傳感器提供指令，能夠使身體感受到血液正在流動(dòng)，進(jìn)而給出信號指示形成新的血管結構。這一發(fā)現奠定了Piezo1蛋白作為靶標在心血管疾病和癌癥等重大疾病治療過(guò)程中的重要研究意義。Piezo1結構的解析為深入理解Piezo家族蛋白在這些疾病中的作用以及生物體感知外界信號的分子基礎奠定了良好的基礎。機械力敏感離子通道蛋白結構研究先驅?zhuān)�美國加州理工學(xué)院(Caltech)化學(xué)和化工系教授/霍華德休斯醫學(xué)研究所(HHMI)研究員，美國科學(xué)院院士Douglas C. Rees教授在給楊茂君教授的賀信中寫(xiě)到“This is a great accomplishments - congratulations!”。

　　Piezo1結構不僅完美的解釋了以往的細胞、生化研究數據，而且還糾正了以往研究中對Piezo蛋白的錯誤認識。在以往的研究中Piezo1蛋白被認為可能是以同源四聚體形式發(fā)揮離子通道功能，而我們的生化及結構證明，Piezo1蛋白主要是形成類(lèi)似于螺旋槳一樣的同源三聚體。同時(shí)，結構分析表明Piezo1蛋白僅含有16個(gè)左右的跨膜區，且形成兩兩配對的陣列結構，這一點(diǎn)與以往生物信息學(xué)預測的含有30-40個(gè)跨膜區不同。Piezo1蛋白的胞外區由兩部分組成，其N端形成一個(gè)大的螺旋狀胞外區分布在三聚體中心的遠端，而在三聚體的正中間有一個(gè)球狀的“帽子”結構。結構分析表明這一“帽子”結構是由三個(gè)CED(C末端胞外區結構域)構成的，而CED由該蛋白的最后一個(gè)跨膜區(IH)與只有59個(gè)氨基酸的CTD(C末端結構域)相連接。CED-IH-CTD形成三聚體，其正中間為離子透過(guò)的通道區域。有趣的是倒數第二個(gè)跨膜螺旋(OH)形成了一種功能區替換(domain swap)的結構，其由埋在細胞膜內的四個(gè)螺旋形成Anchor結構域與最后一個(gè)跨膜螺旋連接，以順時(shí)針的方式分別插入到相鄰分子的跨膜區，進(jìn)而穩定了三聚體的形成。數據分析表明：Piezo1蛋白位于胞外區的N端螺旋狀結構域具有非常高的柔性，其可以左右擺動(dòng)也可以上下平移，推測其與感受來(lái)自不同方向的外界剪切力有關(guān)。此外該結構域還由一個(gè)具有兩個(gè)大約80埃長(cháng)度的在細胞膜內緊貼著(zhù)跨膜區的Coiled-coil結構(Beam)與CTD相連接，該Coiled-coil結構域可能起到將N端胞外區螺旋結構的形變向胞內區CTD區域傳導的功能，進(jìn)而促進(jìn)離子通道的開(kāi)放。

　　清華大學(xué)生命學(xué)院博士研究生蓋景鵬、李婉秋、趙前程和李寧寧為本文并列第一作者;高寧研究員、肖百龍研究員和楊茂君教授為本文共同通訊作者。此外生命學(xué)院博士研究生陳懋斐、李若翀和醫學(xué)院博士研究生支鵬也參與了部分研究工作。上海同步輻射及清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心(鳳凰工程基礎設施)為晶體及冷凍電鏡數據收集提供了及時(shí)有效的支持。本項目受到清華-北大生命聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研計劃、國家自然科學(xué)基金委、科技部重大研究計劃及中組部青年千人計劃的支持。