Nature | 张一小等揭示机械力敏感通道MscS感受机械力信号的分子机制

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机械力敏感离子通道能够感知细胞膜周围机械力环境的变化，从而将离子通道打开或关闭，将机械力信号转化为电化学信号，介导下游的神经兴奋和信号传【1,2】。在哺乳动物中，机械力敏感离子通道参与多种重要的生理活动，比如触觉、听觉、痛觉的感知以及细胞的增殖和血压的调控等【3】。在细菌中，机械力敏感通道MscS参与调节渗透压，帮助细菌适应不同的生长环境【4】。但是长期以来，由于实验手段的限制，对机械力敏感通道感知机械力变化的分子机制一直缺乏有效的研究。

2021年2月10日，来自洛克菲勒大学的Thomas Walz研究组在Nature杂志发表了题为“Visualizing the mechanosensitive ion channel MscS under membrane tension” 的研究论文（第一作者为张一小博士），开发了用nanodiscs（纳米磷脂盘）模拟细胞膜不同机械力环境的方法，并结合冷冻电镜三维重构，解析了MscS在不同机械力环境下的两种全新构象，揭示了lipids在机械力感知过程中所发挥的重要作用。

细胞膜机械力环境的变化包括了细胞膜厚度的变化 （和蛋白跨膜区之间产生hydrophobic mismatch） 、曲率的变化、拉力的变化等等。为了研究MscS是感受哪一种细胞膜形变，研究人员首先利用不同厚度的nanodiscs来模拟不同程度的hydrophobic mismatch，发现在极度薄的PC10-nanodiscs中MscS处于一个全新的sub-conducting构象，但是在生理状态的膜厚度下，hydrophobic mismatch并不足以将MscS打开。因此hydrophobic mismatch并不是MscS感受机械力信号的分子机制。为了更为直观的研究细胞膜拉力对MscS的调控作用，研究人员希望能够在nanodiscs中模拟出拉力的环境。研究人员发现具有疏水空腔的cyclodextrin能够将lipids从nanodiscs中抽提出来，那么剩余的lipids就会在nanodiscs中拉伸以覆盖整个nanodiscs的面积，从而在MscS周围产生拉力。通过这种方法研究人员捕捉到了MscS在持续拉力状态下的desensitized 三维构象。与此同时，研究人员还通过多个实验证明，与去垢剂中解析的晶体结构不同，在nanodiscs中MscS的开放状态是不稳定的，并没有一个特定的构象。

通过结构比对和分子动力学模拟，研究人员发现与MscS相结合的lipids在机械力感知过程中发挥着重要的作用。在closed状态下，位于离子通道内部的lipids能够将通道堵住，防止离子不必要的外流。MscS在持续拉力下由closed到open再到sub-conducting最后到 desensitized的构象变化过程中，两个相邻亚基之间的疏水pocket会越来越小，pocket里面所结合的lipids也越来越少。这就提示了拉力能够不断的将lipids从相邻亚基间的pocket抽出。当lipid被抽离后，在新暴露的疏水界面的作用下，MscS会发生构象变化将pocket不断减小直至关闭，并造成通道孔径发生相应的变化。

本项研究创新性的用nanodiscs模拟了不同的细胞膜机械力变化，首次解析了在拉力环境下的机械力敏感通道三维结构，并且用电生理实验验证了结构与功能的相关性。该模拟细胞膜拉力的方法为其它机械力敏感离子通道结构与功能的研究提供了强有力的实验工具。来自马普研究所Bert de Groot课题组的Csaba Daday、顾若虚与来自澳大利亚Victor Chang研究所 Boris Martinac课题组的Charles Cox分别参与了该项研究中的分子动力学模拟以及电生理实验。

本文的第一作者张一小博士2015年毕业于清华大学生命科学学院。2016至2020年，在美国洛克菲勒大学进行博士后研究。在Nature, Science, Molecular Cell, Nature Structure & Molecular Biology, Nature Communications, PNAS等杂志发表多篇高水平论文。现已加入中科院有机所生物与化学交叉中心担任研究员、课题组长。课题组将综合利用冷冻电镜技术、生物化学、细胞生物学、神经生物学等手段研究重要生物大分子的结构与功能。因工作需要，现拟招聘实验室管理员1名，技术员或博士后1名。有意者请发邮件到yzhang@mail.sioc.ac.cn联系。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03196-w

制版人：琪酱

参考文献

1.Hamill, O. P. & Martinac, B. Molecular basis of mechanotransduction inliving cells.Physiol. Rev. 81, 685–740 (2001).

2.Kung, C. A possible unifying principle for mechanosensation.Nature436,647–654 (2005).

3.Katta, S., Krieg, M. & Goodman, M. B. Feeling force: physical andphysiological principles enabling sensory mechanotransduction.Annu. Rev. Cell Dev. Biol.31, 347–371 (2015).

4.Sukharev, S. Purification of the small mechanosensitive channel of Escherichiacoli (MscS): the subunit structure, conduction, and gating characteristics inliposomes.Biophys. J.83, 290–298 (2002).