PIEZO1的结构解析：奔跑的风扇

撰文 | 十一月

2021年，诺贝尔生理学或医学奖授予了Ardem Patapoutian，为其发现触觉相关的感受器以及分子机制，那个明星分子感应器便是PIEZO1。PIEZO1是机械敏感的氧离子通道，可以将力学转化为电信号，在各种生理环境中起着重要作用【1-2】。PIEZO1的跨膜结域可以形成叶片组成孔状结构，但是这些通道是如何相互作用以及哪些分子能够激活PIEZO1的分子运动还不得而知。

2023年8月16日，美国Scripps研究所Ardem Patapoutian研究组在Nature发文题为Direct observation of the conformational states of PIEZO1，实现了对PIEZO1在天然环境中激活的结构分析。

先前的研究表明，PIEZO1会形成大的同型三聚体结构（图1）【3-4】，但是低温电子显微镜的结构所揭示PIEZO1缺乏大约三分之一远端叶片结构，AlphaFold II的结构预测可以将跨膜结构域进行补全（图1）。为了克服结构解析的局限性，作者们想通过蛋白质标签与亲和探针引入超分辨率荧光团，可以避免因为加入标签而引入物理偏移。通过使用点击化学TCO*K标签，作者们对PIEZO1进行标记，该点击标记并不会影响PIEZO1的生理功能。

图1 PIEZO1结构解析与AlphaFold II结构预测

通过单分子荧光成像，作者们对PIEZO1的结构进行解析。PIEZO1的叶片在静息状态下扩张，这一过程由质膜所介导，而且叶片的远端具有高度的灵活性。蛋白质的三级结构的硬度主要是由相互作用界面的氨基酸所决定的。PIEZO1的每个叶片可以分为9个PIEZO重复结构域（图2）。

图2 PIEZO1叶片结构

通过使用PIEZO1通道活性的抑制剂GsMTx-4，作者们发现PIEZO1的叶片会被压紧。通过渗透膨胀引发质膜扩张则可以直接激活PIEZO1通道。作者们还测试了小分子激动剂Yoda1，会像渗透膨胀一样引起强烈的Ca2+依赖性的PIEZO1激活。

图3 工作模型

总的来说，在工作中作者们通过直接的纳米荧光单分子成像检测了PIEZO1的构象，相较于已经发表的结构，PIEZO1远端的叶片结构是高度灵活的，并且叶片结构可以通过化学和机械方式调节通道激活相互对应。这些结构数据为理解PIEZO1如何在细胞环境中被激活和抑制提供了基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06427-4

制版人：十一

参考文献

1. Coste, B. et al. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 330, 55–60 (2010).

2. Coste, B. et al. Piezo proteins are pore-forming subunits of mechanically activated chandnels. Nature 483, 176–181 (2012).

3. Saotome, K. et al. Structure of the mechanically activated ion channel Piezo1. Nature 554, 481–486 (2018).

4. Zhao, Q. et al. Structure and mechanogating mechanism of the Piezo1 channel. Nature 554, 487–492 (2018)