PIEZO1激活机制新突破：纳米荧光成像揭示构象变化

在2021年，诺贝尔生理学或医学奖的殊荣被授予了Ardem Patapoutian教授，以表彰他在触觉感知领域中的开创性发现——特别是关于触觉感受器及其分子机制的揭示，这一关键发现的核心在于明星分子PIEZO1的鉴定。PIEZO1，作为一种机械敏感的阳离子通道，能够精妙地将机械刺激转化为电信号，从而在广泛的生理活动中扮演着不可或缺的角色【1-2】。尽管PIEZO1的跨膜结构域能构建出独特的叶片状孔隙，但关于这些通道间的相互作用机制以及触发PIEZO1激活的具体分子动力，至今仍是个未解之谜。

 

时至2023年8月16日，来自美国Scripps研究所的Ardem Patapoutian研究团队在《Nature》期刊上发表了一项题为“Direct observation of the conformational states of PIEZO1”的研究，该成果标志着科学家们在自然状态下对PIEZO1激活结构的首次直接观测与分析。

 

 

早先的研究已经揭示了PIEZO1倾向于形成庞大的同型三聚体结构（如图1所示）【3-4】，然而，低温电子显微镜下的观测结果却显示，PIEZO1的结构中缺失了约三分之一的远端叶片部分。幸运的是，AlphaFold II的结构预测模型填补了这一空白，为跨膜结构域的完整性提供了有力补充（图1）。为了克服结构解析中的技术瓶颈，研究团队创新性地采用蛋白质标签与亲和探针技术，巧妙地将超分辨率荧光团引入PIEZO1，这一过程巧妙避免了因标签添加可能带来的物理干扰。特别地，他们利用TCO*K点击化学标签实现了对PIEZO1的精准标记，且未对其生理功能造成任何不利影响。

 

图1 展示了PIEZO1的结构解析成果与AlphaFold II的预测模型对比。

 

通过先进的单分子荧光成像技术，研究团队深入剖析了PIEZO1的结构特性。他们发现，在静息状态下，PIEZO1的叶片结构呈现出扩张状态，这一过程受到质膜的精密调控，并且叶片的远端展现出极高的灵活性。PIEZO1的三级结构稳定性主要取决于其相互作用界面上的氨基酸配置。进一步观察发现，PIEZO1的每个叶片均可细分为九个PIEZO重复结构域（图2）。

 

图2 清晰地呈现了PIEZO1叶片的精细结构。

 

利用PIEZO1通道活性的特异性抑制剂GsMTx-4，研究团队观察到PIEZO1叶片在抑制剂作用下发生了显著的压缩现象。而通过渗透膨胀引发的质膜扩张，则直接触发了PIEZO1通道的激活。此外，他们还测试了小分子激动剂Yoda1的效果，发现其能够模拟渗透膨胀的作用，引发强烈的Ca2+依赖性PIEZO1激活。

 

图3 展示了PIEZO1激活与抑制的工作模型。

 

综上所述，这项研究通过前沿的纳米荧光单分子成像技术，直接观测到了PIEZO1的构象变化，揭示了其远端叶片结构的高度灵活性以及化学与机械调控下通道激活的紧密关联。这些宝贵的结构数据为深入理解PIEZO1在细胞环境中的激活与抑制机制奠定了坚实的基础。

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)

 

名称	货号	规格
Anti-Piezo1 Antibody	APC-087-0.2ml	0.2ml
Mouse Monoclonal PIEZO1 Antibody (CL9714)	NBP2-88938	100ul
PIEZO1	PA572974	0.1ml