科研进展
生命中心肖百龙研究组与杨茂君研究组及清华大学生科院高宁研究组合作
在《自然》发文揭示哺乳动物机械敏感Piezo1离子通道的冷冻电镜结构
2015年9月21日，生命中心PI肖百龙与杨茂君研究组，及生科院高宁研究组合作在《自然》(Nature) 杂志上以长文形式在线发表了题为《哺乳动物机械敏感Piezo1离子通道的结构》(Architecture of the Mammalian Mechanosensitive Piezo1 Channel) 的研究论文，首次报道了哺乳动物机械力敏感 Pieze离子通道的冷冻电镜结构，为理解其离子流通、机械力感受及门控机制提供了重要线索。
机械敏感非选择性阳离子通道是能响应机械力刺激而被快速激活引起钙、钠、钾离子流通的一类通道蛋白，被认为在触觉／痛觉机械力感受、听觉、血压调节等生理过程起着至关重要的作用，但是这一通道在脊椎动物中的分子组成之前一直未被发现，极大的制约了我们对机械力感受分子细胞学机制的了解。直到2010年，美国The Scripps Research Institute的Ardem Patapoutian博士课题组在这一领域取得重大突破，他们在小鼠细胞中发现了Piezo1和Piezo2两个基因对于机械力门控非选择性阳离子电流的产生至关重要 (Science, 2010).
Piezo基因在进化上具有高度保守性，在原核生物、植物、非脊椎动物、脊椎动物中都有存在，暗示它们可能具有非常重要的生理学意义。确实，Piezo通道生物功能的重要性和人类疾病的相关性已得到证实。研究发现Piezo1可以作为血管内皮细胞的机械力分子感受器，从而感受血液流动所造成的剪切力并调控血管发育；而Piezo2可以作为躯体感受的机械力分子感受器从而感受轻微触碰。这些研究表明Piezo通道可以作为重要的机械力传感器参与到血管发育、触觉感受等基本生物功能。因而，其功能失调极有可能造成心血管、疼痛等方面的疾病。在人体，Piezo1和Piezo2基因编码区上的一些遗传突变被发现能分别引起遗传性干瘪红细胞增多症和远端关节弯曲综合症等遗传疾病，进一步证明它们在人体生理功能的重要性及其与疾病的相关性，以及作为重要药物靶点的前景。
Piezo蛋白编码一类预计含30-40次跨膜区、超过2500个氨基酸，并与已知离子通道不具备任何类似性的全新膜蛋白家族，因而其分子功能并不清楚。据此，肖百龙博士在Ardem Patapoutian博士课题组从事博士后研究期间率先完成对这一复杂大型膜蛋白的重组表达、纯化、理化性质及电生理特性的研究，并首次证明其以多聚体的形式形成哺乳动物中鉴定发现的首类机械敏感阳离子通道的孔道蛋白 (Nature, 2012)，从而揭开了脊椎动物中这一重要通道分子组成的神秘面纱并确立了Piezo机械力门控离子通道这一全新的离子通道家族。
肖百龙于2013年1月到清华大学医学院药学系组建自己的研究组，同年加入生命中心，致力于对Piezo通道家族的结构功能、生理及病理学意义、及药物筛选与开发研究。利用其实验室在Piezo蛋白的分子生物学、蛋白重组表达及纯化、电生理功能研究的深厚基础，与高宁研究组及杨茂君研究组开展对 Piezo1通道三维结构解析的合作研究。在回国后利用两年多时间成功解析Piezo通道的三维结构是肖百龙研究组在这一研究领域的又一重大研究成果。
得益于单颗粒冷冻电镜技术在结构生物学领域的突破性进展，解析原子分辨率的膜蛋白复合物譬如离子通道三维结构已经成为现实。通过优化Piezo1蛋白样品并利用单颗粒冷冻电镜方法，三个课题组成功重构出了鼠源Piezo1（mPiezo1）同源三聚体全长（每个亚基包含2547个氨基酸）的三维结构 （见图）。该结构的总体分辨率达到4.8Å。mPiezo1同源三聚体整体呈现类似于三叶螺旋桨的架构，远端胞外区呈现扇叶结构，最后一个胞外区正好位于结构中心且呈现帽子样结构。每一个螺旋桨骨架由14个明显的跨膜区组成，每个骨架下面还含有一个长的横梁“支撑”上面的跨膜区，而最后两次次跨膜区则组成了离子通透的孔径。这一整体特殊新颖的结构也暗示了Piezo蛋白家族可能通过胞外的扇叶区去感受机械力进而调控中心成孔区的离子通透。
清华大学生命学院博士研究生盖景鹏、李婉秋、赵前程和李宁宁为本文并列第一作者；肖百龙、高宁和杨茂君为本文共同通讯作者。此外生命学院博士研究生陈懋斐、李若翀和医学院博士研究生支鹏也参与了部分研究工作。上海同步辐射及清华大学蛋白质研究技术中心（凤凰工程基础设施）为晶体及冷冻电镜数据收集提供了及时有效的支持。本项目受到生命科学联合中心、清华大学自主科研计划、国家自然科学基金委及科技部重大研究计划的支持。
肖百龙是国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者。
论文链接：http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature15247.html
