2025年11月26日，清華大學(xué)肖百龍課題組在《細(xì)胞報(bào)告》在線發(fā)表了題為《機(jī)械門控PIEZO通道以一種彈簧樣的力學(xué)機(jī)制實(shí)現(xiàn)快速失活和隨機(jī)性的單通道門控》的研究長(zhǎng)文，報(bào)道了PIEZO通道如何憑借一種“彈簧樣”結(jié)構(gòu)元件與力學(xué)機(jī)制，精準(zhǔn)調(diào)控其快速激活與失活，并決定其隨機(jī)性的單通道開放與關(guān)閉的電生理特性。此項(xiàng)工作不僅深化了對(duì)PIEZO通道工作機(jī)制的理解，而且提出了離子通道在單分子水平的“隨機(jī)性”行為由其內(nèi)在結(jié)構(gòu)機(jī)制決定的新觀點(diǎn)。
科研快訊
在微觀的分子世界中，受熱漲落驅(qū)動(dòng)，每個(gè)分子都像擁有“自由意志”，表現(xiàn)出“隨機(jī)性”的行為。離子通道通過(guò)響應(yīng)化學(xué)配體或機(jī)械力等不同刺激，調(diào)控離子跨細(xì)胞膜的通透性。在單分子水平上，離子通道同樣呈現(xiàn)“隨機(jī)性”的開放與關(guān)閉行為，這一現(xiàn)象已通過(guò)膜片鉗記錄技術(shù)獲得了近半個(gè)世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而，這種單通道的“隨機(jī)性”行為是否由其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)機(jī)制所決定，仍是未解之謎。
機(jī)械門控PIEZO離子通道是一類關(guān)鍵的機(jī)械力受體，能將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的電化學(xué)信號(hào)。它們參與介導(dǎo)多種核心的生理過(guò)程，包括觸覺、痛覺、本體覺、內(nèi)臟覺（如呼吸、血壓、膀胱充盈、腸道蠕動(dòng)），以及心血管、大腦、骨等器官組織的功能穩(wěn)態(tài)維持與調(diào)控。此外，PIEZO通道的功能異常與多種人類疾病密切相關(guān)。
在全細(xì)胞電生理記錄模式下，PIEZO1通道能夠快速響應(yīng)機(jī)械力刺激并產(chǎn)生宏觀電流（圖1D，mPIEZO1藍(lán)線部分），隨后迅速衰減進(jìn)入失活狀態(tài)（圖1D，mPIEZO1紅線部分）。而在單通道水平，PIEZO1則表現(xiàn)出反復(fù)隨機(jī)的開放與關(guān)閉行為（圖1D，mPIEZO1左下）。值得注意的是，在持續(xù)機(jī)械力刺激下，這種單通道的開放與關(guān)閉行為持續(xù)存在且無(wú)明顯失活，呈現(xiàn)典型的“隨機(jī)性”單分子行為。
本研究綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析、定點(diǎn)突變載體構(gòu)建、膜片鉗電生理記錄以及分子動(dòng)力學(xué)模擬等多種技術(shù)手段，系統(tǒng)揭示了PIEZO通道胞外帽狀結(jié)構(gòu)的連接器（linker）作為一種熵彈簧，決定其上述典型電生理特性的力學(xué)機(jī)制。
肖百龍團(tuán)隊(duì)與合作者多年來(lái)系統(tǒng)解析了PIEZO蛋白在不同構(gòu)象下的高分辨率結(jié)構(gòu)。本研究首先基于已報(bào)道的PIEZO1的關(guān)閉態(tài)、中間開放態(tài)和失活態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)連接胞外帽狀結(jié)構(gòu)與成孔跨膜區(qū)的兩段連接器——OC-linker和S-linker——在PIEZO1通道的門控過(guò)程中表現(xiàn)出顯著的、類似彈簧往復(fù)運(yùn)動(dòng)般的伸縮變化，同時(shí)伴隨著帽狀結(jié)構(gòu)閘門（cap gate）與跨膜閘門（TM gate）的開放與關(guān)閉（圖1A-1C）。這一動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特征提示，OC-linker和S-linker可能以類似彈簧的力學(xué)機(jī)制參與通道門控。
研究者進(jìn)一步利用果蠅PIEZO通道與小鼠PIEZO1通道在電生理性質(zhì)上的顯著差異（圖1D，dPIEZO），構(gòu)建了二者連接器互換的嵌合體載體。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，連接器的互換導(dǎo)致了相應(yīng)電生理特性的互換。通過(guò)系統(tǒng)性的定點(diǎn)突變及電生理功能驗(yàn)證，研究確定了OC-linker兩端的特定氨基酸殘基（I2213和D2225）以及S-linker上的S-helix結(jié)構(gòu)和G2465鉸鏈位點(diǎn)共同參與調(diào)控通道的失活與激活過(guò)程（圖1D）。
通過(guò)引導(dǎo)分子動(dòng)力學(xué)模擬（steered molecular dynamics, SMD）、計(jì)算及結(jié)構(gòu)分析，研究者發(fā)現(xiàn)OC-linker和S-linker在門控過(guò)程中表現(xiàn)出熵彈簧的特性。定量分析表明，3對(duì)OC-linker和S-linker在門控過(guò)程中所需的總能量約為4.8 kBT，接近環(huán)境熱能的量級(jí)。
為了更精細(xì)地解析連接器對(duì)PIEZO通道門控的影響，研究者在單通道水平上觀測(cè)了上述關(guān)鍵位點(diǎn)突變體的電生理特性。有趣的是，PIEZO通道的單通道開放時(shí)長(zhǎng)與其宏觀電流的失活時(shí)間呈線性相關(guān)。所有記錄的單通道均表現(xiàn)出重復(fù)隨機(jī)的開放和關(guān)閉行為，并且失活較快的通道變體其單通道開放頻率顯著高于失活較慢的PIEZO1通道（圖1D，下部）。基于單通道開放概率計(jì)算得到的PIEZO1門控能量約為4.1 kBT，與分子動(dòng)力學(xué)模擬所得到的4.8 kBT高度接近，進(jìn)一步支持了熵彈簧模型的有效性。
綜上，本研究提出了PIEZO通道失活和隨機(jī)單通道門控的彈簧樣力學(xué)作用機(jī)制。該機(jī)制的核心在于，OC-linker和S-linker作為熵彈簧，位于通道頂部的帽狀結(jié)構(gòu)與跨膜孔道之間。當(dāng)機(jī)械力使帽狀結(jié)構(gòu)下移、槳葉區(qū)展平時(shí)，連接器從伸展的高熵狀態(tài)轉(zhuǎn)換為壓縮的低熵狀態(tài)，儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，從而打開孔道，引發(fā)通道激活；隨后，被壓縮的連接器傾向于恢復(fù)其伸展?fàn)顟B(tài)，將帽狀結(jié)構(gòu)推回，促使帽狀結(jié)構(gòu)閘門關(guān)閉，通道快速失活。而在環(huán)境熱力學(xué)擾動(dòng)下，處于上移狀態(tài)的帽狀結(jié)構(gòu)和伸展的連接器能再次下移和壓縮，重新打開帽狀結(jié)構(gòu)閘門，使通道再次開放。這種彈簧式的壓縮-釋放機(jī)制使通道在穩(wěn)態(tài)張力和環(huán)境熱能作用下能實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的開啟-關(guān)閉循環(huán)，并決定了其隨機(jī)而可控的單通道開關(guān)特性（圖1A，1B）。
該研究揭示的PIEZO通道基于“彈簧樣”連接器的力學(xué)機(jī)制可能普遍適用于多種離子通道的門控過(guò)程。研究者進(jìn)而提出新觀點(diǎn)，認(rèn)為離子通道在單分子水平的“隨機(jī)性”開放與關(guān)閉行為是由其內(nèi)在結(jié)構(gòu)機(jī)制所決定的。
圖1. PIEZO通道門控過(guò)程、彈簧樣門控機(jī)制、連接器結(jié)構(gòu)序列和電生理性質(zhì)
