新研究揭示感覺蛋白如何在納米分辨率下改變形狀

感知機械刺激（如觸覺或血壓）的能力，對人類和整個動物王國的生理過程至關重要。在一項新的研究中，斯克里普斯研究所的科學家們展示了感覺離子通道PIEZO1如何響應機械刺激而改變形狀，揭示了這種蛋白質如何發揮作用的關鍵信息。

在2023年8月16日發表在《自然》雜志上的這項研究中，研究人員在研究中描述了傳感器嵌入細胞質膜（其自然工作環境）時的形狀和構象。

通過用熒光分子標記蛋白質的不同區域并直接測量它們之間的距離，研究人員表明，PIEZO1位于質膜中時具有擴展的構象，而不是先前無細胞結構模型預測的收縮的杯狀構象。這一結構發現可能導致未來的藥物發現應用，如篩選與先天性PIEZO1缺陷相關的疾病的有效藥物，如常染色體隱性先天性淋巴發育不良和遺傳性干性細胞增多癥。

“我們的研究結果顯示了細胞環境如何塑造PIEZO1的結構，并揭示了通道激活背后的基本分子運動，”資深作者Ardem Patapoutian博士說，Patapoutian因發現PIEZO1和PIEZO2而獲得2021年諾貝爾生理學或醫學獎，PIEZO1和PIEZO2是允許細胞對機械刺激做出反應的關鍵受體。

該團隊想要解決一個懸而未決的問題:這些蛋白質是如何將機械刺激轉化為電信號的，而電信號是神經系統的貨幣?回答這個問題將有助于深入了解在不同條件下導致壓電感受器故障的原因。

PIEZO1的形狀像一個三葉螺旋槳，它的葉片被認為是機械力的主要傳感器，因此了解它們的結構對理解傳感器的功能至關重要。然而，先前基于電子顯微鏡的模型缺乏關于這些葉片尖端結構的信息。此外，這些先前的研究是在分離的、無膜的蛋白質上進行的，這意味著它們預測PIEZO1在實際細胞環境中的形狀和運動的能力有限。

為了克服這些限制，Patapoutian的團隊使用了MINFLUX和iPALM顯微鏡，它們捕獲了納米尺度的細節，并允許團隊在細胞膜背景下可視化單個PIEZO1分子。

“在細胞環境中評估PIEZO1只是超分辨率顯微鏡潛力的一個例子，它可能成為斯克里普斯研究中心各種研究項目的變革性研究工具”。

研究人員用熒光標記標記PIEZO1，并使用顯微鏡對不同情況下的蛋白質進行成像:靜止時，暴露于化學抑制劑時，以及通過拉伸細胞膜激活時。

他們發現，當PIEZO1不受機械刺激時，其葉片處于擴展構象中。這與早期的無膜結構模型形成對比——沒有細胞膜的存在(這對PIEZO1的葉片施加了壓扁的壓力)，葉片折疊成更像杯子的構象。

“在細胞環境中，PIEZO1處于機械平衡狀態，在這種狀態下，蛋白質對膜的壓力和膜對蛋白質的壓力導致通道的凈平坦化，”該研究的**作者，博士后Eric Mulhall博士說。

當研究人員將PIEZO1暴露于一種來自智利玫瑰狼蛛的毒素中，這種毒素通過緩解膜施加的壓力來抑制受體的功能，這種蛋白質呈現出杯狀構象。相反，當他們通過拉伸細胞膜施加機械刺激時，蛋白質的葉片變得更加膨脹。同樣的機械刺激也導致了通道的電激活。總之，這些結果表明，擴大構象有利于主動傳遞機械刺激。

“葉片擴張的程度似乎與通道激活有關，”Mulhall說。“當葉片非常折疊時，通道根本不活躍，但當葉片更大或甚至完全平坦時，通道非常活躍。”

該團隊的單分子分析還顯示，PIEZO1的葉片在基部相對堅硬，但在末端更靈活，這意味著傳感器對機械刺激的敏感程度。穆爾霍爾說:“讓葉片末端松軟可能有助于抑制細胞內的背景機械噪音。”

了解PIEZO1如何在不同刺激下改變形狀，可以在未來用于篩選可能抑制或激活傳感器的藥物。

“現在我們有了這個蛋白質如何運動的模型，我們可能會把它作為通道活性調節劑的讀出器，”Mulhall說。“例如，如果你正在測試一種藥物來治療機械性疼痛——這在一定程度上是由壓電通道介導的——你可以用它作為一個平臺來了解藥物是否真的改變了通道的功能。”

接下來，研究人員希望分析蛋白質上的更多位置，以獲得有關整個蛋白質如何移動的信息。

除了壓電顯微鏡，該研究還強調了使用熒光超分辨率顯微鏡分析蛋白質在自然環境中最微小運動的能力。Patapoutian說:“現在我們可以開始考慮使用光學顯微鏡進行結構生物學研究。”

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