Nature：揭示感觉离子通道PIEZO1在天然环境下如何改变形状应对机械刺激

感知机械刺激（如触觉或血压）的能力对人类和整个动物界的生理过程至关重要。在一项新研究中，来自美国斯克里普斯研究所的研究人员描述了感觉离子通道PIEZO1嵌入细胞膜（自然工作环境）时的形状和构象，展示了这种传感蛋白在机械刺激下如何改变形状，从而揭示了它如何发挥作用的关键信息。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Direct observation of the conformational states of PIEZO1”。

通过用荧光分子标记蛋白PIEZO1的不同区域并直接测量它们之间的距离，这些作者发现，当PIEZO1位于质膜中时，它的构象是扩张的，这与之前无细胞结构模型预测的收缩的杯状构象截然不同。这一结构发现可能用于未来的药物发现应用，如筛选与先天性PIEZO1缺陷相关疾病（比如常染色体隐性先天性淋巴发育不良症和遗传性干燥细胞病）有关的有效药物。

论文通讯作者、斯克里普斯研究所多里斯神经科学中心教授Ardem Patapoutian 博士说，“我们的研究结果显示了细胞环境如何塑造 PIEZO1 的结构，并揭示了通道激活背后的基本分子运动。”Patapoutian 因发现 PIEZO1 和 PIEZO2 而获得了 2021 年诺贝尔生理学或医学奖，PIEZO1 和 PIEZO2 是让细胞对机械刺激做出反应的关键受体。

这些作者希望解决一个悬而未决的问题：这两种蛋白是如何将机械刺激转化为电信号的？回答这个问题将有助于深入了解导致PIEZO受体在不同条件下失灵的原因。

PIEZO1的形状像一个三叶螺旋桨，它的叶片被认为是机械力的主要传感器，因此了解其结构对理解这种传感器如何发挥功能至关重要。然而，之前基于电子显微镜的模型缺乏有关这些叶片尖端结构的信息。此外，先前的研究是在分离的无膜蛋白上进行的，这意味着它们预测 PIEZO1 在实际细胞环境中的形状和运动的能力有限。

为了克服这些局限性，Patapoutian团队使用了MINFLUX和iPALM显微镜，它们能捕捉纳米级的细节，使得他们能在细胞膜的背景下可视化观察单个PIEZO1分子。

论文共同作者、斯克里普斯研究所核心显微镜设施主任Scott Henderson说，“在细胞环境中评估PIEZO1只是超分辨率显微镜潜力的一个例子，它可以成为斯克里普斯研究所各种研究项目的变革性研究工具。”

这些作者用荧光分子标记了PIEZO1，并用显微镜在不同情况下对这种蛋白进行成像：静止时、接触化学抑制剂时以及通过拉伸细胞膜被激活时。他们发现当 PIEZO1 没有受到机械刺激时，它的叶片会以扩张的构象静止。这与早期的无膜结构模型形成了鲜明对比---如果没有对PIEZO1的叶片施加扁平压力的细胞膜的存在，这些叶片会折叠成更像杯状的构象。

论文第一作者、斯克里普斯研究所Patapoutian 实验室博士后 Eric Mulhall 博士说，“在细胞环境中，PIEZO1 处于一种机械平衡状态，在这种状态下，这种蛋白对细胞膜的压力和细胞膜对这种蛋白的压力导致这种离子通道的净扁平化。”

对经过荧光标记的PIEZO1的单分子成像和超粒子融合。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06427-4。

当这些作者将PIEZO1暴露在一种来自智利红玫瑰蜘蛛（Chilean rose tarantula）的毒素中时，这种毒素通过减轻细胞膜施加的压力来抑制这种受体的功能。相反，当他们通过拉伸细胞膜施加机械刺激时，这种蛋白的叶片变得更加扩张。同样的机械刺激也导致了这种离子通道的电激活。这些结果共同表明这种膨胀的构象有利于机械刺激的主动传递。

Mulhall说，“叶片的扩张程度似乎与这种离子通道的激活有关。当这些叶片非常塌陷时，这种离子通道根本不活跃，但当叶片更加扩张甚至完全平坦时，这种离子通道就会非常活跃。”

这些作者的单分子分析还发现，PIEZO1的叶片基部相对坚硬，但末端却比较柔软，这对它的传感器对机械刺激的敏感程度有影响。Mulhall说，“叶片末端柔软可能有助于抑制细胞内的背景机械噪音。”

了解 PIEZO1 在对不同刺激做出反应时如何改变形状，将来可能会应用于筛选可能抑制或激活它的传感器的药物。

Mulhall说，“如今我们有了这种蛋白如何运动的模型，我们就有可能利用它调节通道活性。比如，如果你正在测试一种治疗机械性疼痛的药物---这种疼痛部分上是由PIEZO通道介导的，那么你可以把它作为一种了解药物是否真地改变了这种离子通道的功能的平台。”

下一步，这些作者希望分析这种蛋白上的更多位置，以获得有关整个蛋白如何运动的信息。除了PIEZO之外，这项研究还强调了利用荧光超分辨率显微镜分析蛋白在自然环境中最微小运动的能力。Patapoutian说，“如今我们可以开始考虑使用光学显微镜来进行结构生物学研究了。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Eric M. Mulhall et al. Direct observation of the conformational states of PIEZO1. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06427-4.

2. SCRIPPS RESEARCH SCIENTISTS REVEAL HOW SENSORY PROTEIN CHANGES SHAPE WITH NANOMETER RESOLUTION
https://www.scripps.edu/news-and-events/press-room/2023/20230816-patapoutian-piezo1.html