斯克里普斯研究中心的科学家揭示了感觉蛋白如何以纳米分辨率改变形状

感知机械刺激(例如触摸或血压)的能力对于人类和整个动物界的生理过程至关重要。在一项新的研究中，斯克里普斯研究中心的科学家展示了感觉离子通道 PIEZO1 如何响应机械刺激而改变形状，揭示了有关该蛋白质如何发挥作用的关键信息。

在 2023 年 8 月 16 日发表在《自然》杂志上的这项研究中，研究人员描述了传感器嵌入细胞质膜(其自然工作环境)时的形状和构象。

通过用荧光分子标记蛋白质的不同区域并直接测量它们之间的距离，研究人员表明，当 PIEZO1 位于质膜中时，它具有扩张的构象，这与之前无细胞预测的收缩的杯状构象形成鲜明对比。结构模型。这一结构发现可能会导致未来的药物发现应用，例如筛选与先天性 PIEZO1 缺陷相关的疾病(例如常染色体隐性先天性淋巴发育不良和遗传性干细胞增多症)相关的有效药物。

“我们的结果表明细胞环境如何塑造 PIEZO1 的结构，并揭示通道激活背后的基本分子运动，”资深作者、斯克里普斯研究中心多里斯神经科学中心教授、霍华德休斯医学研究所研究员Ardem Patapoutian博士说。Patapoutian 因发现 PIEZO1 和 PIEZO2 获得2021 年诺贝尔生理学或医学奖，PIEZO1 和 PIEZO2 是细胞对机械刺激做出反应的关键受体。

研究小组想要解决一个悬而未决的问题：这些蛋白质如何将机械刺激转化为电信号，这是神经系统的货币?回答这个问题将有助于深入了解导致 PIEZO 受体在不同条件下发生故障的原因。

PIEZO1 的形状像一个三叶螺旋桨，其叶片被认为是机械力的主要传感器，因此了解其结构对于了解传感器的工作原理至关重要。然而，先前基于电子显微镜的模型缺乏有关这些叶片尖端如何构造的信息。此外，这些先前的研究是在分离的无膜蛋白质上进行的，这意味着它们预测 PIEZO1 在实际细胞环境中的形状和运动的能力有限。

为了克服这些限制，Patapoutian 的团队使用了 MINFLUX 和 iPALM 显微镜，它们捕获了纳米级细节，并使团队能够在细胞膜的背景下可视化单个 PIEZO1 分子。

“在细胞环境中评估 PIEZO1 只是超分辨率显微镜潜力的一个例子，它可能成为斯克里普斯研究所各种研究项目的变革性研究工具，”共同作者、斯克里普斯研究所所长斯科特·亨德森 (Scott Henderson)说。研究核心显微镜设施和综合结构与计算生物学系教授。

研究人员用荧光标记标记了 PIEZO1，并使用显微镜在不同情况下对蛋白质进行成像：静止时、暴露于化学抑制剂时以及通过细胞膜拉伸激活时。

他们发现，当 PIEZO1 未受到机械刺激时，其叶片会处于展开的构象。这与早期的无膜结构模型形成鲜明对比——没有细胞膜(细胞膜对 PIEZO1 的叶片施加压平压力)，叶片会折叠成更像杯状的构象。