近日， 清華大學藥學院肖百龍團隊揭示了Piezo1作為星形膠質細胞的機械傳感器，可以將機械信號轉換成化學信號，通過影響ATP釋放參與調節(jié)海馬成體神經(jīng)發(fā)生和認知功能的重要作用，為機械信號轉導參與調控大腦組織穩(wěn)態(tài)提供了證據(jù)。
大腦的正常功能與穩(wěn)態(tài)維持依賴于包括神經(jīng)元、神經(jīng)膠質細胞、腦血管等多種細胞對腦環(huán)境中的各種信號有效轉導和協(xié)同作用。大量研究表明電壓門控或配體門控離子通道所介導的電、化學信號轉導機制在大腦發(fā)育、功能、以及疾病發(fā)生發(fā)展中起著至關重要的作用。然而大腦的穩(wěn)態(tài)維持是否依賴機械門控離子通道所介導的機械信號轉導則并不清楚。
為了解答這一科學問題，研究人員首先利用融合表達Piezo1-tdTomato的報告基因小鼠確定了大腦中表達機械門控通道Piezo1的細胞類型。有意思的是，除了之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的表達Piezo1的血管內皮細胞外，Piezo1在星形膠質細胞中廣泛表達。進一步的研究顯示，Piezo1不僅定位于細胞胞體，在星形膠質細胞的觸手以及腳板結構中也有廣泛的分布，這些結果表明星形膠質細胞中Piezo1可能發(fā)揮獨特的機械感知生物學功能。
星形膠質細胞作為哺乳動物腦內數(shù)量最多、分布最廣泛的細胞類型，具有典型的多級分枝結構，其形成的網(wǎng)絡能夠覆蓋極大的組織微環(huán)境（每個星形膠質細胞體積約為13000 μm3），賦予其有效監(jiān)測大腦穩(wěn)態(tài)的形態(tài)結構。因此研究者推測，星形膠質細胞能夠利用Piezo精細的機械敏感特性感知大腦微環(huán)境中微弱的機械信號，從而參與大腦活動。
利用星形膠質細胞特異性Piezo遺傳修飾小鼠，體外分離培養(yǎng)Piezo敲除的星形膠質細胞，發(fā)現(xiàn)Piezo1直接介導了星形膠質細胞對機械力刺激的響應，誘發(fā)陽離子電流和胞外Ca2+的內流。在分子機制上，星形膠質細胞Piezo1通過響應機械力刺激最終調節(jié)ATP的釋放。雖然之前的研究已經(jīng)報道星形膠質細胞在機械力刺激下可以通過Connexin/Pannexin等通道釋放ATP，研究者利用電生理、鈣成像等技術結合藥理學工具，證實Piezo1作為上游信號分子響應機械力刺激，進而調節(jié)下游ATP的釋放，建立了在星形膠質細胞中從機械信號到化學信號的直接聯(lián)系。
為了進一步揭示星形膠質細胞Piezo在組織細胞水平中的作用，研究者以成體神經(jīng)發(fā)生微環(huán)境為切入點，探究了星形膠質細胞Piezo敲除對海馬成體神經(jīng)發(fā)生可塑性的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，在星形膠質細胞中特異性敲除Piezo1通道的小鼠表現(xiàn)出現(xiàn)嚴重的海馬體積缺陷（圖1）。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，星形膠質細胞Piezo敲除顯著抑制了海馬神經(jīng)干細胞的增殖，導致包括神經(jīng)前體細胞、非成熟神經(jīng)元、成熟神經(jīng)元以及星形膠質細胞數(shù)量的明顯減少。值得注意的是，星形膠質細胞Piezo敲除導致的海馬成體神經(jīng)發(fā)生的缺陷可以通過外源添加ATP進行挽救，從而進一步證實星形膠質細胞Piezo通過影響ATP釋放的分子機制。
研究人員利用活體腦片對長時程增強（LTP）進行分析，發(fā)現(xiàn)星形膠質細胞Piezo敲除小鼠海馬的LTP與對照相比顯著下降，而添加ATP則可以挽救Piezo敲除小鼠LTP的缺陷。
通過在動物整體水平對星形膠質細胞Piezo敲除小鼠行為學分析發(fā)現(xiàn)，Piezo敲除小鼠在水迷宮以及Y迷宮測試中表現(xiàn)學習和記憶功能下降，表明星形膠質細胞Piezo在調控大腦認知功能中發(fā)揮了重要的作用。
最后研究人員利用星形膠質細胞Piezo1過表達小鼠，證實了星形膠質細胞中Piezo1通道通過增強機械信號轉導、增強了突觸可塑性和認知功能，從充分性和必要性兩個方面證實了機械敏感通道Piezo在大腦功能穩(wěn)態(tài)維持中的重要作用。（圖2）。
以上的研究結果引發(fā)研究者思考，定位于細胞膜中的Piezo通道是如何感知大腦內在細微機械力的刺激？肖百龍與李雪明課題組通過長期合作研究，最近針對Piezo1在脂膜上受力狀態(tài)下的動態(tài)結構解析對這一問題給予了解答(Yang et al., Nature 2022)。機械門控Piezo1通道是同源三聚體，類似于一個巨大的三葉螺旋槳狀結構，其在細胞膜上以彎曲和非平面形式存在。其中非平面形狀的一個整體彎曲成開口直徑20 nm和深度10 nm的標志性納米碗狀結構。根據(jù)力的感知機制和曲率形變特性：Piezo1通道從彎曲到平展狀態(tài)，其槳葉高度位移為10 nm，所占平面膜面積增大300 nm2，需要做功為570 pN.nm，計算得出最大半激活膜張力值為1.9 pN/nm，這與電生理測量值1.4 pN/nm接近。細胞在靜息狀態(tài)下膜張力約為1–2 mN/m。Piezo1能夠對各種形式的機械刺激作出反應，包括戳、拉伸、剪切力、基底硬度，以及內源性的細胞牽拉力。因此，Piezo1通道可以響應納米尺度的曲率形變去探測皮牛尺度的力，成為一類低能耗的超敏機械力感受器。研究者提出分布在星形膠質細胞納米尺度觸手上的Piezo1，可以有效感知大腦機械微環(huán)境。
圖1 星形膠質細胞Piezo敲除小鼠海馬體積變
圖2 星形膠質細胞Piezo介導機械信號轉導調節(jié)大腦結構與功能的模式圖。
綜上，本文揭示了星形膠質細胞利用Piezo1通道介導的機械傳導機制有效地調節(jié)海馬成體神經(jīng)發(fā)生和認知功能，從概念上強調了機械信號轉導在維持大腦結構和功能中的重要性。
上述研究于2022年8月12日發(fā)表在《神經(jīng)元》 (Neuron) 雜志上，標題為《Piezo1介導星形膠質細胞的機械信號傳導并調節(jié)海馬成體神經(jīng)發(fā)生和認知功能》(Astrocytic Piezo1-mediated mechanotransduction determines adult neurogenesis and cognitive functions)。
肖百龍教授為本文的通訊作者，清華大學藥學院2016級池少鵬博士、崔亞雄博士后、王海平博士后為本文的共同第一作者，2017級博士生姜京徽，2013級張廷鑫博士、清華大學生命學院鐘毅教授、北京大學IDG麥戈文腦科學研究所周專教授和孫素華博士也參與了該項研究的部分工作。感謝北京大學生命科學學院李毓龍教授和武照伐博士在其所開發(fā)的ATP熒光探針方面所提供的幫助、清華大學藥學院魯白教授對提供了雙光子儀器幫助、清華大學動物中心的常在博士和工作人員對該課題小鼠飼養(yǎng)提供的幫助、清華大學尼康影像中心在成像實驗方面的幫助、肖百龍實驗室已畢業(yè)學生王婧、王莉博士在課題開展過程中給予的幫助。
本工作得到了國家自然科學基金委杰出青年科學基金（31825014）/重點項目（32130049）/創(chuàng)新研究群體項目（32021002）、國家科技部2030科技創(chuàng)新-“腦科學與類腦研究”重大項目（2021ZD0203301）、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、膜生物學國家重點實驗室、清華-IDG/麥戈文腦科學研究院、北京生物結構前沿研究中心、結構生物學高精尖創(chuàng)新中心的項目經(jīng)費支持。
