新研究發(fā)現(xiàn)感覺蛋白如何在納米分辨率下改變形狀

在2023年8月16日發(fā)表在《Nature》雜志上的這項研究中，研究人員描述了傳感器嵌入細(xì)胞質(zhì)膜(其自然工作環(huán)境)時的形狀和構(gòu)象。

通過用熒光分子標(biāo)記蛋白質(zhì)的不同區(qū)域并直接測量它們之間的距離，研究人員表明，PIEZO1位于質(zhì)膜中時具有擴展的構(gòu)象，而不是先前無細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型預(yù)測的收縮的杯狀構(gòu)象。這一結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致未來的藥物發(fā)現(xiàn)應(yīng)用，如篩選與先天性PIEZO1缺陷相關(guān)的疾病的有效藥物，如常染色體隱性先天性淋巴發(fā)育不良和遺傳性干性細(xì)胞增多癥。

“我們的研究結(jié)果顯示了細(xì)胞環(huán)境如何塑造PIEZO1的結(jié)構(gòu)，并揭示了通道激活背后的基本分子運動，”通訊作者Ardem Patapoutian博士說，他是斯克里普斯研究所Dorris神經(jīng)科學(xué)中心的教授和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員。Patapoutian因發(fā)現(xiàn)PIEZO1和PIEZO2而獲得2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，PIEZO1和PIEZO2是允許細(xì)胞對機械刺激做出反應(yīng)的關(guān)鍵受體。

該團隊想要解決一個懸而未決的問題:這些蛋白質(zhì)是如何將機械刺激轉(zhuǎn)化為電信號的，而電信號是神經(jīng)系統(tǒng)的貨幣?回答這個問題將有助于深入了解在不同條件下導(dǎo)致壓電感受器故障的原因。

PIEZO1的形狀像一個三葉螺旋槳，它的葉片被認(rèn)為是機械力的主要傳感器，因此了解它們的結(jié)構(gòu)對理解傳感器的功能至關(guān)重要。然而，先前基于電子顯微鏡的模型缺乏關(guān)于這些葉片尖端結(jié)構(gòu)的信息。此外，這些先前的研究是在分離的、無膜的蛋白質(zhì)上進行的，這意味著它們預(yù)測PIEZO1在實際細(xì)胞環(huán)境中的形狀和運動的能力有限。

為了克服這些限制，Patapoutian的團隊使用了MINFLUX和iPALM顯微鏡，它們捕獲了納米尺度的細(xì)節(jié)，并允許團隊在細(xì)胞膜背景下可視化單個PIEZO1分子。

“在細(xì)胞環(huán)境中評估PIEZO1只是超分辨率顯微鏡潛力的一個例子，它可能成為斯克里普斯研究中心各種研究項目的變革性研究工具，”斯克里普斯研究核心顯微鏡設(shè)施主任、綜合結(jié)構(gòu)和計算生物學(xué)教授、合著者Scott Henderson說。

研究人員用熒光標(biāo)記標(biāo)記PIEZO1，并使用顯微鏡對不同情況下的蛋白質(zhì)進行成像:靜止時，暴露于化學(xué)抑制劑時，以及通過拉伸細(xì)胞膜激活時。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PIEZO1不受機械刺激時，其葉片處于擴展構(gòu)象中。這與早期的無膜結(jié)構(gòu)模型形成對比——沒有細(xì)胞膜的存在(這會對PIEZO1的葉片施加壓扁壓力)，葉片折疊成更像杯子的構(gòu)象。

“在細(xì)胞環(huán)境中，PIEZO1處于機械平衡狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，蛋白質(zhì)對膜的壓力和膜對蛋白質(zhì)的壓力導(dǎo)致通道的凈平坦化，”該研究的**作者、Scripps Research和Howard Hughes Medical Institute Patapoutian實驗室的博士后Eric Mulhall博士說。

當(dāng)研究人員將PIEZO1暴露于一種來自智利玫瑰狼蛛的毒素中，這種毒素通過緩解膜施加的壓力來抑制受體的功能，這種蛋白質(zhì)呈現(xiàn)出杯狀構(gòu)象。相反，當(dāng)他們通過拉伸細(xì)胞膜施加機械刺激時，蛋白質(zhì)的葉片變得更加膨脹。同樣的機械刺激也導(dǎo)致了通道的電激活。總之，這些結(jié)果表明，擴大構(gòu)象有利于主動傳遞機械刺激。

“葉片擴張的程度似乎與通道激活有關(guān)，”Mulhall說。“當(dāng)葉片非常折疊時，通道根本不活躍，但當(dāng)葉片更大或甚至完全平坦時，通道非常活躍。”

該團隊的單分子分析還顯示，PIEZO1的葉片在基部相對堅硬，但在末端更靈活，這意味著傳感器對機械刺激的敏感程度。Mulhall說:“讓葉片末端松軟可能有助于抑制細(xì)胞內(nèi)的背景機械噪音。”  

了解PIEZO1如何在不同刺激下改變形狀，可以在未來用于篩選可能抑制或激活傳感器的藥物。

“現(xiàn)在我們有了這個蛋白質(zhì)如何運動的模型，我們可能會把它作為通道活性調(diào)節(jié)劑的讀出器，”Mulhall說。“例如，如果你正在測試一種藥物來治療機械性疼痛——這在一定程度上是由壓電通道介導(dǎo)的——你可以用它作為一個平臺，來了解藥物是否真的改變了通道的功能。”

接下來，研究人員希望分析蛋白質(zhì)上的更多位置，以獲得有關(guān)整個蛋白質(zhì)如何移動的信息。

除了壓電顯微鏡，該研究還強調(diào)了使用熒光超分辨率顯微鏡分析蛋白質(zhì)在自然環(huán)境中最微小運動的能力。Patapoutian說:“現(xiàn)在我們可以開始考慮使用光學(xué)顯微鏡進行結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。”

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