Nature感觉蛋白如何在纳米分辨率下改变形状

　　感觉受体PIEZO1在机械刺激下改变形状。这项发现中使用的超高分辨率显微镜技术是在细胞环境中研究蛋白质结构的一个突破。

　　

在2023年8月16日发表在《Nature》杂志上的这项研究中，研究人员描述了传感器嵌入细胞质膜(其自然工作环境)时的形状和构象。

通过用荧光分子标记蛋白质的不同区域并直接测量它们之间的距离，研究人员表明，PIEZO1位于质膜中时具有扩展的构象，而不是先前无细胞结构模型预测的收缩的杯状构象。这一结构发现可能导致未来的药物发现应用，如筛选与先天性PIEZO1缺陷相关的疾病的有效药物，如常染色体隐性先天性淋巴发育不良和遗传性干性细胞增多症。

“我们的研究结果显示了细胞环境如何塑造PIEZO1的结构，并揭示了通道激活背后的基本分子运动，”通讯作者Ardem Patapoutian博士说，他是斯克里普斯研究所Dorris神经科学中心的教授和霍华德休斯医学研究所的研究员。Patapoutian因发现PIEZO1和PIEZO2而获得2021年诺贝尔生理学或医学奖，PIEZO1和PIEZO2是允许细胞对机械刺激做出反应的关键受体。

该团队想要解决一个悬而未决的问题:这些蛋白质是如何将机械刺激转化为电信号的，而电信号是神经系统的货币?回答这个问题将有助于深入了解在不同条件下导致压电感受器故障的原因。

PIEZO1的形状像一个三叶螺旋桨，它的叶片被认为是机械力的主要传感器，因此了解它们的结构对理解传感器的功能至关重要。然而，先前基于电子显微镜的模型缺乏关于这些叶片尖端结构的信息。此外，这些先前的研究是在分离的、无膜的蛋白质上进行的，这意味着它们预测PIEZO1在实际细胞环境中的形状和运动的能力有限。

为了克服这些限制，Patapoutian的团队使用了MINFLUX和iPALM显微镜，它们捕获了纳米尺度的细节，并允许团队在细胞膜背景下可视化单个PIEZO1分子。

“在细胞环境中评估PIEZO1只是超分辨率显微镜潜力的一个例子，它可能成为斯克里普斯研究中心各种研究项目的变革性研究工具，”斯克里普斯研究核心显微镜设施主任、综合结构和计算生物学教授、合著者Scott Henderson说。

研究人员用荧光标记标记PIEZO1，并使用显微镜对不同情况下的蛋白质进行成像:静止时，暴露于化学抑制剂时，以及通过拉伸细胞膜激活时。

他们发现，当PIEZO1不受机械刺激时，其叶片处于扩展构象中。这与早期的无膜结构模型形成对比——没有细胞膜的存在(这会对PIEZO1的叶片施加压扁压力)，叶片折叠成更像杯子的构象。

“在细胞环境中，PIEZO1处于机械平衡状态，在这种状态下，蛋白质对膜的压力和膜对蛋白质的压力导致通道的净平坦化，”该研究的第一作者、Scripps Research和Howard Hughes Medical Institute Patapoutian实验室的博士后Eric Mulhall博士说。

当研究人员将PIEZO1暴露于一种来自智利玫瑰狼蛛的毒素中，这种毒素通过缓解膜施加的压力来抑制受体的功能，这种蛋白质呈现出杯状构象。相反，当他们通过拉伸细胞膜施加机械刺激时，蛋白质的叶片变得更加膨胀。同样的机械刺激也导致了通道的电激活。总之，这些结果表明，扩大构象有利于主动传递机械刺激。

“叶片扩张的程度似乎与通道激活有关，”Mulhall说。“当叶片非常折叠时，通道根本不活跃，但当叶片更大或甚至完全平坦时，通道非常活跃。”

该团队的单分子分析还显示，PIEZO1的叶片在基部相对坚硬，但在末端更灵活，这意味着传感器对机械刺激的敏感程度。Mulhall说:“让叶片末端松软可能有助于抑制细胞内的背景机械噪音。”  

了解PIEZO1如何在不同刺激下改变形状，可以在未来用于筛选可能抑制或激活传感器的药物。

“现在我们有了这个蛋白质如何运动的模型，我们可能会把它作为通道活性调节剂的读出器，”Mulhall说。“例如，如果你正在测试一种药物来治疗机械性疼痛——这在一定程度上是由压电通道介导的——你可以用它作为一个平台，来了解药物是否真的改变了通道的功能。”

接下来，研究人员希望分析蛋白质上的更多位置，以获得有关整个蛋白质如何移动的信息。

除了压电显微镜，该研究还强调了使用荧光超分辨率显微镜分析蛋白质在自然环境中最微小运动的能力。Patapoutian说:“现在我们可以开始考虑使用光学显微镜进行结构生物学研究。”

Eric M. Mulhall, Anant Gharpure, Rachel M. Lee, Adrienne E. Dubin, Jesse S. Aaron, Kara L. Marshall, Kathryn R. Spencer, Michael A. Reiche, Scott C. Henderson, Teng-Leong Chew, Ardem Patapoutian. Direct observation of the conformational states of PIEZO1. Nature, 2023