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

　　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(yī)學(xué)院肖百龍研究員研究組合作在《自然》(Nature)雜志上以長文形式在線發(fā)表了題為《哺乳動(dòng)物機(jī)械敏感Piezo1離子通道的結(jié)構(gòu)》(Architecture of the Mammalian Mechanosensitive Piezo1 Channel)的研究論文，首次報(bào)道了哺乳動(dòng)物機(jī)械力敏感離子通道Piezo蛋白的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)Piezo蛋白的作用機(jī)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(jī)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(qū)最多的蛋白。自從該蛋白被發(fā)現(xiàn)以來，在世界范圍內(nèi)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(jí)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Piezo蛋白，Piezo1和Piezo2，在人類中二者具有47%的同源性。Piezo2蛋白主要在感覺背根神經(jīng)節(jié)中高表達(dá)，近年來的研究表明其主要與生物體感受外界觸碰即感覺相關(guān)。Piezo1主要在肺、膀胱、紅細(xì)胞和皮膚細(xì)胞中高表達(dá)，在紅細(xì)胞中功能獲得性突變可導(dǎo)致干癟細(xì)胞增多癥和裂口紅細(xì)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(dú)立發(fā)現(xiàn)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(hào)指示形成新的血管結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)奠定了Piezo1蛋白作為靶標(biāo)在心血管疾病和癌癥等重大疾病治療過程中的重要研究意義。Piezo1結(jié)構(gòu)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(hào)的分子基礎(chǔ)奠定了良好的基礎(chǔ)。機(jī)械力敏感離子通道蛋白結(jié)構(gòu)研究先驅(qū)，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(yī)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到“This is a great accomplishments - congratulations!”。

　　Piezo1結(jié)構(gòu)不僅完美的解釋了以往的細(xì)胞、生化研究數(shù)據(jù)，而且還糾正了以往研究中對(duì)Piezo蛋白的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。在以往的研究中Piezo1蛋白被認(rèn)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(jié)構(gòu)證明，Piezo1蛋白主要是形成類似于螺旋槳一樣的同源三聚體。同時(shí)，結(jié)構(gòu)分析表明Piezo1蛋白僅含有16個(gè)左右的跨膜區(qū)，且形成兩兩配對(duì)的陣列結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)與以往生物信息學(xué)預(yù)測的含有30-40個(gè)跨膜區(qū)不同。Piezo1蛋白的胞外區(qū)由兩部分組成，其N端形成一個(gè)大的螺旋狀胞外區(qū)分布在三聚體中心的遠(yuǎn)端，而在三聚體的正中間有一個(gè)球狀的“帽子”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明這一“帽子”結(jié)構(gòu)是由三個(gè)CED(C末端胞外區(qū)結(jié)構(gòu)域)構(gòu)成的，而CED由該蛋白的最后一個(gè)跨膜區(qū)(IH)與只有59個(gè)氨基酸的CTD(C末端結(jié)構(gòu)域)相連接。CED-IH-CTD形成三聚體，其正中間為離子透過的通道區(qū)域。有趣的是倒數(shù)第二個(gè)跨膜螺旋(OH)形成了一種功能區(qū)替換(domain swap)的結(jié)構(gòu)，其由埋在細(xì)胞膜內(nèi)的四個(gè)螺旋形成Anchor結(jié)構(gòu)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(qū)，進(jìn)而穩(wěn)定了三聚體的形成。數(shù)據(jù)分析表明：Piezo1蛋白位于胞外區(qū)的N端螺旋狀結(jié)構(gòu)域具有非常高的柔性，其可以左右擺動(dòng)也可以上下平移，推測其與感受來自不同方向的外界剪切力有關(guān)。此外該結(jié)構(gòu)域還由一個(gè)具有兩個(gè)大約80埃長度的在細(xì)胞膜內(nèi)緊貼著跨膜區(qū)的Coiled-coil結(jié)構(gòu)(Beam)與CTD相連接，該Coiled-coil結(jié)構(gòu)域可能起到將N端胞外區(qū)螺旋結(jié)構(gòu)的形變向胞內(nèi)區(qū)CTD區(qū)域傳導(dǎo)的功能，進(jìn)而促進(jìn)離子通道的開放。

　　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(yī)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(chǔ)設(shè)施)為晶體及冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了及時(shí)有效的支持。本項(xiàng)目受到清華-北大生命聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、科技部重大研究計(jì)劃及中組部青年千人計(jì)劃的支持。