2025年11月25日，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系郭雨松團(tuán)隊(duì)、林瓏團(tuán)隊(duì)以及生理學(xué)系江漫團(tuán)隊(duì)在 Cell Reports 雜志上發(fā)表了題為“Membrane dome based regulation mechanism of the mechanosensitive PIEZO channel”的文章。本研究利用線蟲模式體系，結(jié)合高分辨率結(jié)構(gòu)解析、電生理和在體生理功能研究，提出了一個(gè)全新的PIEZO調(diào)控機(jī)制，即通過選擇性剪接調(diào)節(jié)穹頂面積來調(diào)控機(jī)械敏感性。PIEZO通道是一類機(jī)械敏感性離子通道，能將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為跨細(xì)胞膜的陽離子流。由PIEZO介導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)在多種生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括觸覺感知、機(jī)械性痛覺、心血管功能、免疫調(diào)節(jié)及神經(jīng)發(fā)生。盡管近年來關(guān)于PIEZO通道如何通過調(diào)控下游通路參與生理過程的研究快速增長，對(duì)于PIEZO自身如何受調(diào)控以響應(yīng)不同機(jī)械刺激，以及PIEZO如何在不同細(xì)胞間產(chǎn)生電生理特性的差異，相關(guān)機(jī)制研究還非常有限。

秀麗隱桿線蟲（C. elegans）PIEZO通道（PEZO-1），為研究PIEZO的激活調(diào)控機(jī)制提供了一個(gè)有趣的模型系統(tǒng)。PEZO-1有十二種天然存在的剪接異構(gòu)體，可分為三個(gè)長度組。據(jù)報(bào)道，這些異構(gòu)體在線蟲體內(nèi)有不同的分布，可能具有不同的生理功能。由此研究團(tuán)隊(duì)猜想這些異構(gòu)體是否具有不同的電生理特征？如果是這樣，蛋白質(zhì)的序列長度如何調(diào)節(jié)PIEZO通道功能？

為了研究序列長度是否影響PIEZO通道的機(jī)械敏感性，研究人員對(duì)PEZO-1的三種天然亞型（g、k和l）進(jìn)行了電生理記錄，這些亞型僅在序列長度上不同，沒有內(nèi)部插入或缺失。PEZO-1最長的亞型g（以下稱為PEZO-1G）含有2442個(gè)氨基酸殘基。與小鼠PIEZO1/2序列的比對(duì)預(yù)測(cè)PEZO-1G具有38個(gè)跨膜螺旋，形成9個(gè)重復(fù)的跨膜螺旋單元（transmembrane helical units，THUs）。異構(gòu)體k（1686個(gè)殘基，稱為PEZO-1K）和異構(gòu)體l（1038個(gè)殘基，稱為PEZO-1L）與PEZO-1G共享共同的C-端，而具有不同的N-端翻譯起始位點(diǎn)，因此分別含有5個(gè)和2個(gè)THUs。電生理結(jié)果表明異構(gòu)體的機(jī)械敏感性與蛋白序列的長度呈正比，序列越長的異構(gòu)體對(duì)機(jī)械力越敏感

為了明確序列長度如何影響PEZO-1的機(jī)械敏感性，研究團(tuán)隊(duì)使用冷凍電鏡解析了分辨率為3.4?的PEZO-1G的三維結(jié)構(gòu)。PEZO-1G的整體結(jié)構(gòu)類似于哺乳動(dòng)物PIEZO通道，已知在哺乳動(dòng)物PIEZO通道機(jī)械傳感中起關(guān)鍵作用的結(jié)構(gòu)模塊（包括梁、錨、閂鎖和C端胞外帽）在PEZO-1G中也是保守的。為了探究具有5個(gè)THUs的PEZO-1K是否依然保持三聚體的整體結(jié)構(gòu)，研究人員進(jìn)一步解析了分辨率為3.8?的PEZO-1K結(jié)構(gòu)。在沒有N端4個(gè)THUs的情況下，PEZO-1K通道依然保持了三聚體穹頂狀構(gòu)象，其曲率與PEZO-1G相似。

線蟲在體熒光定位實(shí)驗(yàn)顯示，PEZO-1G與PEZO-1K在線蟲中呈現(xiàn)差異性組織分布特征。通過RNAi干擾實(shí)驗(yàn)分別靶向pezo-1基因N端、中間或C端區(qū)域從而敲降不同長度異構(gòu)體的表達(dá)，線蟲的孵化率、咽部泵送頻率以及線蟲在不同滲透壓或硬度的培養(yǎng)基條件下的運(yùn)動(dòng)速度均發(fā)生了不同程度的變化，提示PEZO-1通道的每個(gè)長度組都可能參與特定的一組生理功能，以響應(yīng)特定的機(jī)械環(huán)境。由此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的PIEZO通道調(diào)控策略：通過可變剪接調(diào)節(jié)旋臂中的跨膜螺旋數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定環(huán)境的適應(yīng)性功能調(diào)控。

基于PIEZO的彎曲、關(guān)閉構(gòu)象，前期研究提出了膜穹頂機(jī)制（membrane dome mechanism），即通道從關(guān)閉到開放狀態(tài)的膜平面投影面積變化為通道開放提供自由能來源，該面積變化越大，通道對(duì)施加張力的敏感性就越強(qiáng)。盡管有多項(xiàng)研究證實(shí)了PIEZO通道受力與曲率變化之間的聯(lián)系，曲率變化與孔道開放的耦合機(jī)制仍缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。研究人員從結(jié)構(gòu)模型中測(cè)量得到不同異構(gòu)體的穹頂?shù)酌姘霃脚c高度，基于膜穹頂模型，計(jì)算得到不同異構(gòu)體的打開概率隨張力變化的理論激活曲線，其與電生理實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的機(jī)械敏感電流隨壓強(qiáng)變化的實(shí)際激活曲線變化趨勢(shì)高度吻合，為膜穹頂機(jī)制模型提供了直接依據(jù)，同時(shí)為深入分析序列長度、磷脂環(huán)境、膜機(jī)械性質(zhì)等因素對(duì)PIEZO通道的調(diào)控機(jī)理，奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與研究框架。

研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，以秀麗隱桿線蟲的PIEZO通道（PEZO-1）為模型，探究PIEZO通道的激活調(diào)控機(jī)制，將電生理測(cè)量、冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析和線蟲體內(nèi)生理功能研究相結(jié)合，不僅提出了一種全新的、轉(zhuǎn)錄后水平的PIEZO調(diào)控機(jī)制，還為膜穹頂機(jī)制提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這對(duì)于人們深入認(rèn)識(shí)PIEZO介導(dǎo)的機(jī)械傳導(dǎo)過程具有重要意義。該研究將深化對(duì)腫瘤、高血壓、慢性疼痛等PIEZO通道相關(guān)疾病的機(jī)制認(rèn)知，為開發(fā)更具針對(duì)性與臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值的新型治療策略提供重要理論支撐。目前對(duì)線蟲PEZO-1不同亞型生理功能的探索還不夠深入，未來工作可通過線蟲組織電生理學(xué)和組織特異性敲除技術(shù)進(jìn)一步研究不同亞型的機(jī)械激活電流和體內(nèi)差異化表達(dá)分布的精確功能。

全文總結(jié)圖

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士研究生劉鈺爽為該論文第一作者，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院郭雨松教授、江漫教授、林瓏副教授為該論文的共同通訊作者。該研究得到了“腦科學(xué)與類腦研究”國家科技重大專項(xiàng)青年科學(xué)家項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、武漢市知識(shí)創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目曙光計(jì)劃項(xiàng)目等多個(gè)科研基金的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116651