清华大学杨茂君教授、肖百龙研究员、高宁研究员课题组合作在《自然》发文揭示哺乳动物机械敏感离子通道的冷冻电镜结构
2015年9月21日,清华大学生命学院杨茂君教授,高宁研究员和医学院肖百龙研究员研究组合作在《自然》(Nature)杂志上以长文形式在线发表了题为《哺乳动物机械敏感Piezo1离子通道的结构》(Architecture of the Mammalian Mechanosensitive Piezo1 Channel)的研究论文,首次报道了哺乳动物机械力敏感离子通道Piezo蛋白的高分辨率冷冻电镜结构,并以此为基础对Piezo蛋白的作用机理进行了分析。 Piezo蛋白是由美国加州Scripps研究所Ardem Patapoutian教授研究组在 2010年首次鉴定得到的第一个真核生物机械力敏感离子通道。该蛋白与目前已知的所有离子通道蛋白均没有同源性,尤其值得一提的是,该蛋白是目前已知所有膜蛋白中跨膜区最多的蛋白。自从该蛋白被发现以来,在世界范围内掀起了一股Piezo蛋白研究的热潮,多个研究组先后在世界顶级杂志发表多篇研究论文阐述了该蛋白的重要生理功能。与低等生物中只存在一个Piezo蛋白不同,在高等生物中存在两类Piezo蛋白,Piezo1和Piezo2,在人类中二者具有47%的同源性。Piezo2蛋白主要在感觉背根神经节中高表达,近年来的研究表明其主要与生物体感受外界触碰即感觉相关。Piezo1主要在肺、膀胱、红细胞和皮肤细胞中高表达,在红细胞中功能获得性突变可导致干瘪细胞增多症和裂口红细胞症等遗传性疾病。2014年,利兹大学的David Beech教授和加州Scripps研究所Ardem Patapoutian教授研究组分别独立发现Piezo1蛋白可以为血管中的传感器提供指令,能够使身体感受到血液正在流动,进而给出信号指示形成新的血管结构。这一发现奠定了Piezo1蛋白作为靶标在心血管疾病和癌症等重大疾病治疗过程中的重要研究意义。Piezo1结构的解析为深入理解Piezo家族蛋白在这些疾病中的作用以及生物体感知外界信号的分子基础奠定了良好的基础。机械力敏感离子通道蛋白结构研究先驱,美国加州理工学院(Caltech)化学和化工系教授/霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员,美国科学院院士Douglas C. Rees教授在给杨茂君教授的贺信中写到“This is a great accomplishments - congratulations!”。 Piezo1结构不仅完美的解释了以往的细胞、生化研究数据,而且还纠正了以往研究中对Piezo蛋白的错误认识。在以往的研究中Piezo1蛋白被认为可能是以同源四聚体形式发挥离子通道功能,而我们的生化及结构证明,Piezo1蛋白主要是形成类似于螺旋桨一样的同源三聚体(图a)。同时,结构分析表明Piezo1蛋白仅含有16个左右的跨膜区,且形成两两配对的阵列结构(图b),这一点与以往生物信息学预测的含有30-40个跨膜区不同。Piezo1蛋白的胞外区由两部分组成,其N端形成一个大的螺旋状胞外区分布在三聚体中心的远端,而在三聚体的正中间有一个球状的“帽子”结构。结构分析表明这一“帽子”结构是由三个CED(C末端胞外区结构域)构成的,而CED由该蛋白的最后一个跨膜区(IH)与只有59个氨基酸的CTD(C末端结构域)相连接。CED-IH-CTD形成三聚体,其正中间为离子透过的通道区域。有趣的是倒数第二个跨膜螺旋(OH)形成了一种功能区替换(domain swap)的结构,其由埋在细胞膜内的四个螺旋形成Anchor结构域与最后一个跨膜螺旋连接,以顺时针的方式分别插入到相邻分子的跨膜区,进而稳定了三聚体的形成(图a)。数据分析表明:Piezo1蛋白位于胞外区的N端螺旋状结构域具有非常高的柔性,其可以左右摆动也可以上下平移,推测其与感受来自不同方向的外界剪切力有关。此外该结构域还由一个具有两个大约80埃长度的在细胞膜内紧贴着跨膜区的Coiled-coil结构(Beam)与CTD相连接,该Coiled-coil结构域可能起到将N端胞外区螺旋结构的形变向胞内区CTD区域传导的功能,进而促进离子通道的开放(图c)。 清华大学生命学院博士研究生盖景鹏、李婉秋、赵前程和李宁宁为本文并列第一作者;高宁研究员、肖百龙研究员和杨茂君教授为本文共同通讯作者。此外生命学院博士研究生陈懋斐、李若翀和医学院博士研究生支鹏也参与了部分研究工作。上海同步辐射及清华大学蛋白质研究技术中心(凤凰工程基础设施)为晶体及冷冻电镜数据收集提供了及时有效的支持。本项目受到清华-北大生命联合中心、清华大学自主科研计划、国家自然科学基金委、科技部重大研究计划及中组部青年千人计划的支持。 论文链接:
图示(a)Piezo1冷冻电镜密度图及三维结构;(b)Piezo1跨膜区骨架形成两两配对的阵列结构;(c)Piezo1感受外界机械力的分子基础模型