Nature:清华大学肖百龙/李雪明团队首次解析机械力受体PIEZO1在脂膜环境中的受力展平过程
来源：生物世界 2022-04-09 08:27
清华大学肖百龙/李雪明团队首次解析机械力受体PIEZO1在脂膜环境中的受力展平过程。
清华大学生命学院肖百龙和李雪明团队合作，在 Nature 发表了题为：Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes 的研究论文。
该研究首次解析了机械力受体PIEZO1在脂膜环境中的受力形变过程，定量了其皮牛尺度的机械敏感性，建立了其曲率感知理论学说，从根本上解答了其将物理机械刺激转化成生物电信号这一核心科学问题。
PIEZO诺奖研究的未解之谜：如何感受机械力？
机械力感知决定我们的日常行为，例如握手、拥抱、亲吻、行走、刷手机、血压飙升等。力是无形的，那我们人体如何感知？
直到2010年，Ardem Patapoutian 教授团队报道了一类介导人体机械力感知的分子受体—PIEZO蛋白，为我们认识了解这一基本的生物学问题带来了突破。因为发现PIEZO并证明其触觉受体的功能，Ardem Patapoutian 与 David Julius 教授（温度受体发现者）分享了2021年诺贝尔生理学或医学奖（图1）。
图1：2021诺贝尔生理学或医学委员会发布的示意图总结了PIEZO的发现（上半部分）、所介导的触觉、本体觉感知等生理病理功能（下半部分右侧）、以及结构模型与机械力感知假说猜想（下半部分左侧）
那么PIEZO蛋白又是如何将物理机械刺激转化成生物电信号的呢？
肖百龙及其团队近10年致力于解答这一核心科学问题。其于2012年在 Ardem Patapoutian 课题组从事博士后研究期间首次证实了PIEZO蛋白是在哺乳动物中鉴定发现的首类机械门控阳离子通道（Nature 2012）；随后其课题组与合作者在PIEZO的结构功能机制研究方面取得了一系列重要研究进展，帮助推动了PIEZO的发现与研究成为了2021年的诺贝尔生理学或医学奖研究成果（图2）。
基于肖百龙与李雪明课题组合作解析的PIEZO家族成员PIEZO1与PIEZO2的三维结构以及机制研究，研究者们提出了PIEZO的机械力感知机制猜想：PIEZO形成三聚体三叶螺旋桨状离子通道，中心是负责离子通透的孔道部分，外周是三个负责机械力感知的桨叶部分（图1及图3左侧）。非常有趣的是，在孔道处于关闭态，嵌在细胞膜中的桨叶呈现往细胞外高度弯曲的状态，提示其可以弯曲其所在的细胞膜，形成我们称之为纳米碗（nanobowl）状的PIEZO-脂膜体系（图1及图3右侧）。有研究显示PIEZO1蛋白可以在受力刺激下发生可逆的形变。基于这些结构功能研究，研究者们提出当细胞膜张力改变时，PIEZO可以从弯曲状变为平展状，带动中间的孔道开放，从而将机械力刺激转化为阳离子流通。
图3：PIEZO通道的三聚体三叶螺旋桨状（左侧部分，俯视图）与纳米碗状（右侧部分，平视图）三维结构
但事实上，在2021年诺奖颁布时，研究者们还未能解析出PIEZO受力开放的结构。膜上PIEZO在受力后是否会如诺奖示意图中所展示的一样（图1），从弯曲的关闭态进入平展的开放态？这是PIEZO诺奖研究的未解之谜。
得益于冷冻电镜在生物大分子结构解析方面的技术突破，研究者们可以解析出蛋白在静息、游离状态下的结构。但是，生物大分子并不是靠“呆若木鸡”的状态来发挥功能，其千姿百态的变化才是生命奥妙所在，而这些变化往往取决于其组装形式、配体结合和所处的物理状态（膜环境、电势能、温度和力等）。如何在严苛的冷冻样品状态下，引入无形的膜张力来获取PIEZO的不同结构功能状态呢？
肖百龙与李雪明指导四位博士生杨旭中、林超、陈旭东、李首卿对这一极具挑战的科学问题开展研究，借鉴前人把膜蛋白重组进脂质体中，并用冷冻电镜解析其结构的技术，经过反复尝试、摸索，最终首次建立了膜上受力结构解析体系（图4）。该策略的核心是通过蛋白与脂质体之间的曲率差异（curvature mismatch）来引入膜张力，这对PIEZO蛋白尤为适用，因为PIEZO的114个跨膜结构域形成的跨膜区并不在一个平面上，而是形成纳米碗状的凹陷结构（图3）。
PIEZO1本身的曲率半径接近10 nm，其主要以outside-in的方式重组到脂质体中。在同等大小的脂质体中时，曲率相符呈圆形。当它重组进更大的脂质体中时，曲率半径的差异在两者间产生力，蛋白和膜发生形变，呈水滴状（图4c）。
而当一小部分PIEZO1以outside-out的方式重组到脂质体中（图4b箭头所示），PIEZO1蛋白与脂质体的曲率半径朝向截然相反，膜与蛋白间产生的的作用力变大，导致PIEZO1蛋白处于受力展平的构象状态（图4d）。
研究者们最终得到PIEZO1在膜上契合状态（10 nm曲率半径）和受力展平的两种结构，分别命名为弯曲（Curved）和平展（Flattened）构象，佐证了PIEZO1蛋白具备可逆形变和感知脂膜曲率变化的特殊能力（图5）。
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