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Nat Commun:清华大学肖百龙研究组揭示机械门控Piezo离子通道的分子调控机制

摘要 : 2017年11月27日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communication》杂志在线发表了清华大学药学院肖百龙研究组题为《相互作用蛋白抑制机械敏感Piezo通道的作用机制》(A protein interaction mechanism for suppressing the mechanosensitive Piezo channels) 的研究长文

2017年11月27日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communication》杂志在线发表了清华大学药学院肖百龙研究组题为《相互作用蛋白抑制机械敏感Piezo通道的作用机制》(A protein interaction mechanism for suppressing the mechanosensitive Piezo channels) 的研究长文,研究鉴定发现了Piezo蛋白家族的新型调控蛋白SERCA2并系统阐明了其对Piezo蛋白通道活性调控的作用机制。肖百龙研究组博士研究生张廷鑫和池少鹏为本文并列第一作者,肖百龙研究员为本文通讯作者。

机械敏感阳离子通道是一类能够响应机械力刺激而引起阳离子通透的离子通道,在诸如触觉感受、本体感受、听觉感受、血管发育与血压调节等基本生命活动中承担重要作用。直到2010年,Piezo基因家族 (包括Piezo1和Piezo2) 被发现编码哺乳动物机械敏感阳离子通道的必要分子组成 (Coste et al., Science 2010)。Piezo蛋白是一类复杂的跨膜蛋白,每个亚基包含2500多个氨基酸,预测跨膜30-40次,并且与已知的离子通道没有同源性。肖百龙博士在从事博士后研究期间与其同事合作首次证明了Piezo1能够以同源多聚体的形式构成机械敏感通道的孔道组成成分,从而确立了Piezo通道这一全新机械门控离子通道家族。相关研究成果于2012年发表在《Nature》杂志。

鉴于Piezo通道生理、病理意义的重要性及其序列结构的特异性,理解Piezo通道的分子作用机制及调控机制具有重要的科学意义,也将为基于Piezo通道的药物开发奠定基础。据此,肖百龙博士于2013年在清华大学药学院组建自己的研究组后,聚焦这一重要科学问题并取得了系列重要研究成果。其研究组通过合作于2015年在《自然》杂志率先报道了Piezo1通道中等分辨率的冷冻电镜三维结构,揭示了其三叶螺旋桨状三维构造特征,为解析其分子作用机制提供了重要线索。随后于2016年,其研究组在神经科学顶级期刊《Neuron》报道了Piezo1蛋白负责离子通透与选择性的孔道区模块以及负责机械力感受与传导的机械传感模块的氨基酸构成,进而首次提出Piezo1通道以功能区模块化的方式来行使其机械门控离子通道功能的假说。

本次文章中,肖百龙研究组首先利用蛋白纯化、质谱、生化、细胞免疫染色等技术鉴定发现Piezo1的一类新型互作蛋白SERCA2。SERCA2是定位在内质网膜上的钙离子转运泵,在各种细胞中广谱表达,对维持细胞内的钙稳态至关重要。他们进一步鉴定出Piezo1蛋白中负责与SERCA2相互作用的位点是位于孔道区与机械门控结构域之间的一段连接区 (图A-C)。突变该连接区 (图D) 或添加该连接区的合成多肽可以有效地拮抗Piezo1和SERCA2的相互作用。

利用膜片钳电生理技术,他们发现SERCA2能够抑制Piezo蛋白的通道活性,并且这种抑制作用是依赖于SERCA2与Piezo1中的连接区的相互作用实现的 (图E-G)。因此,他们推测SERCA2结合到这段连接区减弱了Piezo1通道的机械传感模块区和孔道模块区之间的有效耦合,从而抑制了Piezo1的通道活性。与此相吻合,突变Piezo1的连接区显著减弱其机械门控电流。这些实验数据进一步支持其研究组所提出的Piezo1通道的模块化工作机制假说。

Piezo1在血管内皮细胞中承担血流所造成的剪切力受体的角色,进而控制血管内皮细胞的重排和血管发育。他们发现SERCA2能够通过调控Piezo1的通道活性进而控制血管内皮细胞的迁移,而且他们所鉴定到的连接区合成多肽可以增强血管内皮细胞的迁移功能。这些研究结果为基于这一蛋白互做调控模式的潜在药物开发提供了重要线索。

SERCA2结合Piezo1的位点和其调控Piezo1通道活性的机制

( A. Piezo1与SERCA2结合位点连接区的氨基酸组成和所在位置示意图;B, C, D. SERCA2通过Piezo1的连接区与Piezo1相互作用;E. SERCA2抑制Piezo1的通道活性;F, G. SERCA2通过Piezo1的连接区抑制Piezo1的机械敏感性)

原文链接:

A protein interaction mechanism for suppressing the mechanosensitive Piezo channels

原文摘要:

Piezo proteins are bona fide mammalian mechanotransduction channels for various cell types including endothelial cells. The mouse Piezo1 of 2547 residues forms a three-bladed, propeller-like homo-trimer comprising a central pore-module and three propeller-structures that might serve as mechanotransduction-modules. However, the mechanogating and regulation of Piezo channels remain unclear. Here we identify the sarcoplasmic /endoplasmic-reticulum Ca2+ ATPase (SERCA), including the widely expressed SERCA2, as Piezo interacting proteins. SERCA2 strategically suppresses Piezo1 via acting on a 14-residue-constituted intracellular linker connecting the pore-module and mechanotransduction-module. Mutating the linker impairs mechanogating and SERCA2-mediated modulation of Piezo1. Furthermore, the synthetic linker-peptide disrupts the modulatory effects of SERCA2, demonstrating the key role of the linker in mechanogating and regulation. importantly, the SERCA2-mediated regulation affects Piezo1-dependent migration of endothelial cells. Collectively, we identify SERCA-mediated regulation of Piezos and the functional significance of the linker, providing important insights into the mechanogating and regulation mechanisms of Piezo channels.

 

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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