天博官网登录：刷手机和血压飙升你身体如何感知？清华团队Nature发文揭秘诺奖机械力通道蛋白机

　　2022年4月6日，Nature在线刊登了肖百龙与李雪明团队合作论文——Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes，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PIEZO1蛋白将物理机械刺激转化成生物电信号这一核心科学问题。果壳硬科技第一时间与肖百龙教授取得联系，以下为肖百龙及其学生杨旭中撰写的论文解读文章。

　　日常生活中，握手、行走、刷手机和血压飙升等行为，都是由机械力感知所决定的。我们知道，力是无形的，那么我们人体是如何感知到力的存在的呢？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。也因为这一发现， Ardem Patapoution与David Julius教授（温度受体发现者）同时获得了2021年诺贝尔生理学或医学奖。

　　图1：2021诺贝尔生理学或医学委员会在发布的示意图总结了PIEZO的发现（上半）、所介导的触觉、本体觉感知等生理病理功能（下右），以及结构模型与机械力感知假说猜想（下左） 团队供图

　　虽说发现了PIEZO蛋白并证明其在诸多生理、病理过程中发挥作用，但我们仍不清楚这种蛋白是如何将物理机械刺激转化成生物电信号的。

　　2012年，肖百龙在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）。

　　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）。有趣的是，在孔道关闭时，嵌在细胞膜中的桨叶呈现高度弯曲的状态，提示其可以弯曲其所在的细胞膜，形成纳米碗（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[7]。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，俯视图）与纳米碗状（右，平视图）三维结构 团队供图

　　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诸多蛋白在静息和游离状态下的结构。但是，生物大分子发挥功能伴随着结构的变化，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）。如今技术可以得到复合组装、配体结合下的变化结构，但如何在严苛的冷冻样品状态下，引入无形的膜张力呢？

　　作者们借鉴前人把膜蛋白重组进脂质体的做法，并用冷冻电镜解析其结构的技术[8, 9]，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（图5a和图5b），图5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。

　　通过比较PIEZO1在脂膜上弯曲和平展的两种结构，研究者们对PIEZO1感受膜张力后的动态构象变化、形变参数进行了定量分析，不仅验证了之前所提出的作用机制假说，并定量了PIEZO1的皮牛尺度的机械敏感性，进而建立了其曲率感知理论学说（图6）。

　　Piezo1在受力展平过程中，其末端有10 nm的向下位移、所占膜面积扩张了300 nm2 （图6）。

　　图 6：PIEZO1-liposome从弯曲状到平展状的形变参数测量以及机械敏感性计算 团队供图

　　Scheuring与Mackinnon团队合作通过原子力显微镜测得PIEZO1下压距离和所需力之间存在线]。引用该公式与自由能变化公式（图6），10 nm的位移可得出PIEZO1弯曲和平展状态之间存在570 pN.nm的能量垒。而Nanobowl储存了高达300 nm2的膜面积，意味着只需1.9 pN/nm的张力就能实现570 pN.nm做功，这与电生理测量值1.4 pN/nm接近[10]。

　　力从外周传递到中央孔道区。在展平过程中，胞内Beam长杆在接近中心孔道模块区形成kink，符合之前提出的该位点承担支点的功能推测（图7）。基于省力杠杆原理，Beam不仅具有力的传递与放大功能，且具有形变缓冲作用，使长臂末端3 nm的形变缩小到短臂端1 nm的形变，使其既能控制中央孔道区的门控，又不导致其过度的扩张，从而维持PIEZO通道的阳离子选择性通透能力。

　　PIEZO1受力展平时，使得胞外帽子与桨叶之间的相互作用被打破，帽子发生顺时针旋转，下方的跨膜孔道区发生扩张。与PIEZO2（灰色）紧闭的跨膜区疏水门相比，PIEZO1 展平状态的结构呈现10埃的扩张（图8）。

　　1. 在静息状态时，PIEZO1使脂膜发生弯曲，形成碗表面积为628nm2、投影面积为314nm2的纳米碗系统，PIEZO1与脂膜处于平衡。

　　3. 展平的桨叶带动胞内侧的Beam发生杠杆运动，把形变传递到孔道区胞内侧，可能通过门闩-拴锁机制，打开三个侧向出口闸门（Lateral plug gate），让离子流入细胞 。

　　4. 展平的桨叶使其与帽子之间的相互作用被打破，帽子的旋转运动，加上桨叶的展平运动，共同使得孔道区上半段的疏水阀门打开，离子则由帽子下的空隙，侧向进入孔道。

　　总之，本研究首次实现了对机械力受体PIEZO1通道在脂膜上受力状态下的动态结构解析，揭示了其受力形变与脂膜曲率感知的特性，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PIEZO诺奖研究的未解之谜。

　　通讯作者 肖百龙：博士，清华大学药学院长聘教授，博士生导师；清华－北大生命科学联合中心、清华-IDG／麦戈文脑科学研究院、膜生物学国家重点实验室、高精尖结构生物学中心、生物结构前沿研究中心研究员；国家杰出青年科学基金获得者，国家高层次人才特殊支持计划入选者，科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目首席负责人。近年来致力于探究哺乳动物包括人类自身如何感知机械力这一生命科学本质问题，合作确立了PIEZO是哺乳动物中发现的首类机械门控阳离子通道，进而聚焦解答PIEZO通道如何将机械力刺激转化为电化学信号这一关键科学问题，并致力于开发相关的新型药物和生物技术，迄今取得了系列重要研究成果，其中多篇通讯作者论文被诺奖官网引用，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；2篇论文被收录进经典神经生物学教科书(Nature 2012；Nature 2018)；1篇论文被选定为国家“十三五”重点创新成果，并参选国家“十三五”科技创新成就展（Nature 2019）。

　　肖百龙实验室长期招聘对机械力感知的分子与神经机制研究以及药物发现感兴趣的博士后与科研人员，有意向者请邮件联系：

　　通讯作者 李雪明：博士，清华大学生命科学学院长聘副教授，清华北大生命科学联合中心、结构生物学高精尖创新中心、生物结构前沿研究中心研究员。2009年在中科院物理研究所凝聚态物理专业取得博士学位后，赴美国加州大学旧金山分校从事冷冻电子显微学和结构生物学的博士后研究。李雪明长期从事冷冻电子显微学方法和技术的研究，以及相关的生物学应用研究。2013年，李雪明在电子计数探测技术和电镜图像漂移修正算法方面的研究工作取得突破，促成了冷冻电镜技术的“分辨率革命”，随后几年国际上发表的大多数近原子分辨率冷冻电镜结构都是基于这些技术的。2014年初回国，长期从事冷冻电子显微学方法和技术的研究，以及相关的生物学应用研究；近年来将深度学习和粒子滤波等多项技术引入冷冻电镜领域，开展了微晶电子衍射技术相关的研究工作，取得了重要成果，解析了多个具有重要生物学意义的生物大分子结构。李雪明近年来的多项研究成果发表在Nature，Nature Methods，Nature Structure & Molecular Biology，Nature Microbiology，Nature Communication和Analytical Chemistry等期刊上。

　　第一作者 杨旭中（清华北大生命科学联合中心）、林超（清华大学PTN项目）、陈旭东（清华北大生命科学联合中心）和李首卿（中科院物理所）

　　原标题：《刷手机和血压飙升，你身体如何感知？清华团队Nature发文，揭秘诺奖机械力通道蛋白机制》