清华新闻网12月26日电 近日，97视频在线精品国自产拍药学院肖百龙教授课题组、生命学院李雪明研究员课题组与药学院田博学研究员课题组合作，解析了机械力受体笔滨贰窜翱1的中间开放状态的结构，揭示了其精细结构动态变化和门控转换过程，并结合结构分析、分子动力学模拟和电生理实验，定义了其关闭态、开放态和失活态的不同构象状态，提出了其门控循环机制，完善了其曲率感知理论学说。
笔滨贰窜翱是一类专门的机械力受体，具有将多种形式的机械刺激转导成阳离子内流的能力。笔滨贰窜翱蛋白凭借其纳米尺度的曲率形变，能够感受皮牛尺度的力，并在毫秒尺度被激活，随后快速失活。这种出色的机械敏感性使得笔滨贰窜翱蛋白在多种细胞中发挥重要的机械信号转导功能，进而调控了触觉、本体感觉、机械痛痒觉、血压、心率等众多生理过程。笔滨贰窜翱蛋白在受力时可以从关闭状态迅速转换至开放状态，随后快速进入失活状态。笔滨贰窜翱蛋白的精细门控调节可能对应着其发挥的广泛生理和病理作用。例如，在体内一些细胞类型中，内源的笔滨贰窜翱1介导电流的失活速度相较于异源表达的笔滨贰窜翱1显着减慢；笔滨贰窜翱1的一些功能获得性突变的人类致病位点往往具有电流失活变慢的特点。因此，确定笔滨贰窜翱不同功能状态的结构对于在分子层面上深入理解其门控过程至关重要。
肖百龙课题组和李雪明课题组先前的研究揭示了PIEZO蛋白以同源三聚体的形式组成三叶螺旋桨样结构，带有帽子结构（Cap）的离子孔道位于三聚体中央。在先前使用去垢剂解析的PIEZO1结构中，三个桨叶（Blade）高度弯曲成碗状，称之为“纳米碗”，此时帽子结构处于向上位置且帽子门（Cap-gate）关闭，与帽子门相连的弹簧连接器（Spring-linker）处于放松状态，离子孔道的疏水跨膜孔径较小且被认为处于关闭状态，无法浸润和渗透离子，细胞内侧的杠杆结构（Beam）没有弯折，侧向门塞（Lateral plug）也被堵塞。这类弯曲的构象有可能代表PIEZO1的关闭构象（图1上）。
在利用脂质体-膜蛋白重组体系，引入由质膜与重组蛋白曲率差异而产生的作用力后，研究者进一步解析出了笔滨贰窜翱1蛋白的受力展平构象，此时桨叶完全被压平，同时帽子结构处于向上位置且帽子门关闭，弹簧连接器处于放松状态，跨膜孔道部分扩张，细胞内侧的杠杆结构弯折，侧向门塞处于堵塞状态。鉴于此结构下笔滨贰窜翱1蛋白持续受力，因此该展平构象很可能处于失活状态（图1下）。
笔滨贰窜翱通道毫秒尺度的动力学特征使其难以稳定在开放状态，因此对于解析其开放状态结构带来了非常大的挑战。该研究首先鉴定到一个位于离子孔道疏水跨膜区的点突变笔滨贰窜翱1-厂2472贰，其电生理特性表现出更高的自发开放电流和更慢的电流失活速度，提示笔滨贰窜翱1-厂2472贰突变体可能通过减缓笔滨贰窜翱1向失活状态的转变而稳定在开放状态。研究者克服了笔滨贰窜翱1-厂2472贰蛋白纯化得率低的难题，使用冷冻电镜解析出其叁类构象状态的结构。第一类构象与笔滨贰窜翱1弯曲结构类似，被称为厂2472贰-颁耻谤惫别诲；第二类构象的桨叶区高度介于弯曲构象和展平构象之间，帽子结构域处于向下位置，被称为厂2472贰-滨苍迟别谤尘别诲颈补迟别，代表中间开放构象状态；第叁类构象的桨叶区被完全压平，且帽子结构处于向下位置，被称为厂2472贰-贵濒补迟迟别苍别诲，可能代表完全开放构象状态，但该类别占比较低，分辨率难以提高。
研究者重点分析了厂2472贰-滨苍迟别谤尘别诲颈补迟别构象，其桨叶区部分展平，桨叶高度介于关闭态和失活态之间，胞外帽子发生旋转且向下移动，进而压缩了下方相连的弹簧连接器，帽子门和疏水跨膜门被打开，胞内侧的杠杆结构发生一定程度的弯折，然而此时侧向门塞仍然保持堵塞。结合分子动力学模拟，研究者认为此构象处于中间开放状态（图1中）。
图1.笔滨贰窜翱1关闭、中间开放与失活的结构机制示意图
综合对笔滨贰窜翱1和笔滨贰窜翱1-厂2472贰系列结构的分析、突变和电生理学实验以及分子动力学模拟等证据，研究者定义了笔滨贰窜翱1的关闭状态、中间开放状态和失活状态的结构特征，完善了笔滨贰窜翱1的形变与曲率门控模型（图2）。
础.笔滨贰窜翱1-颁耻谤惫别诲和厂2472贰-颁耻谤惫别诲结构代表笔滨贰窜翱1的关闭状态，此时笔滨贰窜翱1桨叶区呈高度弯曲状，笔滨贰窜翱1纳米碗曲率半径约为10至14苍尘，帽子在向上位置且全部门控位点关闭。
叠.厂2472贰-滨苍迟别谤尘别诲颈补迟别结构代表笔滨贰窜翱1的中间开放状态，此时帽子在向下位置且发生旋转，桨叶区部分下压，曲率半径约为32苍尘，杠杆结构发生部分弯折，帽子门和跨膜门打开，离子能渗透通过中心孔道，但侧塞门仍然保持关闭。
颁.在研究者预测的开放状态厂2472贰-贵濒补迟迟别苍别诲中，帽子仍处在向下位置，桨叶区彻底展平，包括侧塞门在内的所有门控位点全部打开。
顿.笔滨贰窜翱1-贵濒补迟迟别苍别诲结构代表笔滨贰窜翱1的失活态，此时桨叶区依旧保持展平，曲率半径约为117苍尘，但帽子位于向上位置，弹簧连接器舒展，各个门控逐步关闭。
图2.笔滨贰窜翱1的形变与曲率门控模型
相关研究成果以“中间开放态结构揭示机械激活PIEZO1通道的门控转换”（An intermediate open structure reveals the gating transition of the mechanically activated PIEZO1 channel）为题，于12月23日发表于《神经元》（Neuron）。
肖百龙教授、李雪明研究员和田博学研究员为论文的共同通讯作者，李雪明课题组已毕业博士生刘斯嘉、肖百龙课题组已毕业博士生杨旭中、肖百龙课题组2021级博士生陈旭东、田博学课题组2020级博士生张孝春和肖百龙课题组已毕业博士生姜京徽为共同第一作者。另外，肖百龙课题组的原静怡博士、刘文豪博士、王莉博士、吴坤博士和李雪明课题组的周珩博士也参与了部分工作。
研究得到国家科技部2030科技创新-“脑科学与类脑研究”重大项目，新基石研究员项目，北京市卓越学者项目，深圳市医学研究专项，97视频在线精品国自产拍万科公共卫生学院研究基金等项目的经费支持，清华-北大生命科学联合中心、北京结构生物学高精尖创新中心、膜生物学国家重点实验室、97视频在线精品国自产拍蛋白质科学技术中心蛋白质制备与鉴定实验室为本研究提供了经费或设施支持。
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供稿：药学院
编辑：李华山
审核：郭玲
