來自威爾康奈爾醫(yī)學(xué)和洛克菲勒大學(xué)的一組科學(xué)家已經(jīng)闡明了壓電蛋白的基本機(jī)制，壓電蛋白在體內(nèi)作為傳感器，用于機(jī)械刺激，如觸覺，膀胱充盈和血壓。這一發(fā)現(xiàn)是基礎(chǔ)科學(xué)的一項(xiàng)壯舉，也為壓電蛋白在人類疾病中的作用和潛在的新治療策略開辟了許多新的研究途徑。

在8月21日出版于“ 自然”雜志上的這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們利用先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)在靜止和施加機(jī)械力的過程中對Piezo1蛋白進(jìn)行成像。他們證實(shí)了這種復(fù)雜蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并且基本上顯示了它如何將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電信號。

“我們的分析顯示，Piezo1嵌入細(xì)胞膜的張力可以使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變平并擴(kuò)大，”Weill Cornell Medicine麻醉生理學(xué)和生物物理學(xué)教授Simon Scheuring博士說。Scheuring博士和他的實(shí)驗(yàn)室與洛克菲勒大學(xué)分子神經(jīng)生物學(xué)和生物物理學(xué)教授Roderick MacKinnon博士的實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行了這項(xiàng)研究。MacKinnon博士是2003年諾貝爾化學(xué)獎的共同獲獎?wù)?，因?yàn)樗墓ぷ鳑Q定了離子通道蛋白的結(jié)構(gòu)和機(jī)制。

Piezo1和Piezo2是非常大且復(fù)雜的蛋白質(zhì)，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。它們嵌入某些細(xì)胞類型的膜內(nèi)，其功能是將細(xì)胞上的機(jī)械力轉(zhuǎn)換成改變細(xì)胞活性的電信號。Piezo1蛋白質(zhì)例如在膀胱細(xì)胞中起作用以檢測膀胱何時充滿，并且在血管內(nèi)襯細(xì)胞中檢測并幫助調(diào)節(jié)血壓的變化。Piezo2蛋白在皮膚和關(guān)節(jié)的感覺神經(jīng)末梢中起作用，有助于調(diào)節(jié)觸覺，疼痛和本體感覺的感覺 - 一種肢體如何排列的感覺。

Piezo1的Triskelion建筑。圖片來源：威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院

近年來，成像技術(shù)的進(jìn)步使得科學(xué)家們能夠確定Piezo1的基本結(jié)構(gòu)--Piezo2被認(rèn)為主要分享這種結(jié)構(gòu)。從上面看，這種結(jié)構(gòu)具有三臂，螺旋槳或“triskelion”外觀。

從側(cè)面看，它看起來像一個嵌入細(xì)胞膜的淺碗，其中心有一個離子通道。后者在打開時允許鈣和其他帶正電荷的離子流入細(xì)胞。

機(jī)械力打開離子通道的基本機(jī)制仍然是神秘的。但在新的研究中，Scheuring博士和MacKinnon博士及其同事，包括主要作者，麻醉學(xué)博士后研究員Yi-Chih Lin博士，能夠更清楚地了解它的工作原理。

他們將低溫電子顯微鏡與一種名為高速原子力顯微鏡的不太知名的技術(shù)相結(jié)合，該技術(shù)基本上通過用超靈敏機(jī)械探針感覺其表面來產(chǎn)生物體的圖像。他們用這些方法表明，Piezo1是一種彈性結(jié)構(gòu)，通常會使細(xì)胞膜在其所處的位置彎曲，但在例如對細(xì)胞膜施加機(jī)械力時會變平。

“當(dāng)膜張力增加時，Piezo1的結(jié)構(gòu)變平并伸展以占據(jù)更大的區(qū)域，從而打開離子通道，”Scheuring博士說。

他指出，其他可能會使Piezo1結(jié)構(gòu)拉伸和變平的刺激，例如從內(nèi)部或在外部區(qū)域上從細(xì)胞外部稱為CED的拉力，原則上可以打開離子通道 - 使其成為可能適用于各種細(xì)胞類型和生理功能的適用多功能機(jī)制。

此外，鑒于這種廣泛的細(xì)胞類型 - 包括肺，膀胱，腸和胰腺在內(nèi)的器官，以及血管和感覺神經(jīng)系統(tǒng) - 基本的壓電蛋白機(jī)制的發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致新的方式了解和治療許多人類疾病。舉一個例子，Scheuring博士說，如果膜細(xì)胞襯血管含有過量的膽固醇，他們將變得更硬，在嵌入式壓電1個蛋白增加的背景張力和潛在干擾這些蛋白，以檢測和幫助調(diào)節(jié)能力正常血壓。

“我們的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了很多關(guān)于Piezo蛋白在疾病中的作用的預(yù)測，我們和其他人現(xiàn)在可以去調(diào)查，”他說。