觸覺如何被感知？清華科研團隊《自然》發文揭秘

　　日前，《自然》 (Nature) 期刊以長文形式在線發表了由清華大學藥學院肖百龍課題組與生命科學學院李雪明課題組合作撰寫的《哺乳動物觸覺感知離子通道Piezo2的結構與機械門控機制》(Structure and Mechanogating of the Mammalian Tactile Channel Piezo2)研究論文，首次報導了賦予人類自身觸覺感知能力的機械力分子受體－Piezo2離子通道的高分辨率的冷凍電鏡三維結構和精巧工作機制。該研究也是兩個課題組繼2018年1月22日合作在《自然》報導機械門控Piezo通道家族另一成員 — Piezo1離子通道的高分辨率三維結構和分子機制后，在該研究領域的又一重要研究成果，不僅有力推動了對Piezo通道家族的結構基礎和分子機制的理解，也為基于Piezo通道的藥物開發奠定了堅實的基礎。《自然》同時刊發了評論員文章對該研究作了高度評價。

　　觸覺作為五感之一，不僅賦予我們感知握手、輕撫、親吻等愉悅性觸碰以維持正常社交行為的能力，而且承擔著人類能夠熟練使用各種工具譬如觸摸屏手機或鼠標的生物學基礎。而在組織損傷或炎癥等病理情況下，觸覺感知功能的異常可以導致嚴重的機械超敏痛（又稱觸摸痛）。譬如，癌癥或關節炎病患者會經常遭遇類似穿衣服或行走等輕微觸碰所帶來的劇烈疼痛，嚴重影響個體健康與生活質量。另外，自閉癥患者通常顯示較常人更為敏感的觸覺感知能力，最近的研究提示這一觸覺功能的異常可能是導致自閉癥的重要病因之一。

　　觸覺感知源于表達在初級感覺神經元上的機械力感知分子受體－機械門控陽離子通道對機械力刺激的響應，從而引起細胞外的陽離子例如鈉離子和鈣離子流入細胞，進而誘發神經細胞興奮和信號傳遞，最終導致觸覺的產生。2010年，美國斯克利普斯研究所的Ardem Patapoutian教授課題組鑒定發現，Piezo基因家族編碼哺乳動物機械門控陽離子通道的必要成分。2012年，在Patapoutian教授課題組從事博士后研究的肖百龍博士與其同事合作在《自然》期刊報道Piezo蛋白構成機械門控陽離子通道的核心孔道組成成分，從而首次確立了機械門控Piezo通道這一全新離子通道家族類型。

　　隨后的研究證明Piezo2介導哺乳動物的觸覺、本體覺（譬如體位平衡感知）以及內臟覺（譬如肺的收縮擴張以及血壓感知和心率調節）的機械感知，而Piezo1則被發現在多種細胞組織中承擔機械力分子受體的功能參與調控血管及淋巴管發育、血壓穩態、骨的生成與重塑等諸多功能。Piezo基因的遺傳突變被發現引起多種人類遺傳疾病，包括紅細胞干癟綜合癥、淋巴管水腫、遠端關節攣縮癥、觸覺缺失癥等。攜帶Piezo2功能缺失型突變的人體不僅表現出觸覺以及本體感覺缺陷，且喪失病理狀態下的機械超敏痛感知，確證Piezo2通道可以作為開發新型鎮痛藥物的重要靶點。

　　肖百龍博士課題組綜合利用生化結構、電生理膜片鉗、高通量藥物篩選、轉基因小鼠模型以及人類遺傳學等多學科研究手段，聚焦解答機械門控Piezo通道如何將機械力刺激轉化為電化學信號，以及其如何利用自身機械敏感性和通道特性來決定相關的生理病理功能這兩方面的關鍵科學問題，并致力于開發以Piezo通道為靶點的新型藥物及技術。迄今以通訊作者（含共同）身份在Piezo通道的三維結構解析、分子機制揭示、小分子藥物發現、以及生理病理功能探索等方面取得了系列重要研究成果。

　　在最新的這篇《自然》論文中，依托兩個課題組之前對Piezo1通道進行冷凍電鏡結構解析所建立的技術體系和研究平臺，研究人員經過6年多的不懈努力，克服全長2822個氨基酸的鼠源Piezo2表達量極低的困難，通過對蛋白純化條件以及冷凍電鏡制樣方法的不斷摸索和優化，最終獲得了性質穩定均一的蛋白樣品用于冷凍電鏡數據采集。在結構解析過程中，由于Piezo蛋白具有極高的柔性，為解析高分辨率結構帶來很大的挑戰。研究人員將Piezo2數據顆粒進行對稱性擴展，并切割成三個部分獨立計算，得到高分辨的各部分結構后再拼合成完整結構，克服了柔性問題，最終獲得了整體分辨率為3.6-3.8埃的三維結構(圖a)，并成功解析了Piezo2蛋白包含38次跨膜螺旋區的完整拓撲結構(圖c, d)。

　　研究者們發現，Piezo2通道的整體三維結構和之前所解析的Piezo1通道類似，以同源三聚體形式組裝成包含114次跨膜螺旋區的三葉螺旋槳狀結構(圖a-d)，確立了Piezo通道是迄今已知的含跨膜次數最多的一類大型膜蛋白。其中第1到第36次跨膜螺旋區（TM1-36）依次以4次跨膜螺旋區為單元組裝成共9個重復性的結構單元，這一特征性結構單元之前以清華大學英文縮寫命名為THU (Transmembrane Helical Unit，跨膜螺旋單元) (圖c, d)。非常有意思的是，這9個THU串聯組成一個特殊的非平面的跨膜“槳葉”(Blade)結構，導致三個槳葉圍合成一個直徑28nm而深度10nm的往細胞內側凹陷的穹頂狀結構(圖b)。研究者推測這一穹頂狀Piezo蛋白－細胞膜系統可能是Piezo通道具有高度機械敏感性的結構基礎之一。

　　位于中心孔道區域上方的胞外“帽子”(Cap)結構域完全嵌在穹頂底部 (圖a, b)，而細胞內側則有一根9nm長的長桿區結構(Beam)將槳葉的外周端連接到中心孔道的胞內部位 (圖a-e)。第38次跨膜螺旋（取名為inner helix，IH）和尾隨的胞內羧基端結構域(CTD)圍繞形成中心孔道部分(圖e, f)，包含位于跨膜區和胞質區的狹窄頸部(圖f, g)，提示該Piezo通道結構處于關閉態。Piezo2與Piezo1的結構比較表明，跨膜區狹窄位點在Piezo2結構中處于完全關閉狀態，而在Piezo1中則處于開放狀態(圖f, g)。據此，研究者提出該狹窄位點形成跨膜區的開關閘門(TM gate) (圖f, g)。進一步結構分析和電生理功能實驗表明該閘門可能通過頂端帽子結構域的旋轉來控制(圖h)。而由于位于胞質區的狹窄頸部(cytosolic constriction neck)在Piezo1和Piezo2結構中都處于關閉狀態(圖f, g)，因此該位點是否作為另一個開關閘門而被槳葉和長桿結構的構象變化所控制還有待進一步證明。

　　肖百龍博士表示，通過與李雪明博士課題組的通力合作，從Piezo1到Piezo2結構的解析不僅有力推動了對哺乳動物機械門控Piezo通道的結構和機械門控機制的理解，也為探究Piezo通道的功能失常所引發的人類疾病機理及其相關藥物的鑒定發現提供了堅實的基礎。依托其課題組已經建立的Piezo通道的全方位研究平臺和學術積累，他們將致力于Piezo通道的藥物發現與開發工作。

　　清華大學藥學院肖百龍博士和生命科學學院李雪明博士為本論文共同通訊作者。清華大學藥學院博士后王莉、生命學院2015級博士生周珩、2013級博士生張明敏及2016級博士生劉文豪為并列第一作者。此外，肖百龍課題組的博士生鄧團、趙前程（現耶魯大學博士后）、李祎然也參與了部分研究工作。清華大學冷凍電鏡平臺的雷建林博士為冷凍電鏡數據收集提供了幫助。

　　本研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委杰出青年科學基金以及重點項目、清華-北大生命科學聯合中心、北京結構生物學高精尖創新中心以及生物膜國家重點實驗室的資助，同時得到了清華大學冷凍電鏡平臺、清華大學高性能計算平臺以及國家蛋白質設施實驗技術中心(北京)的支持。