肖百龍，清華大學藥學院長聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，入選國家高層次人才特殊支持計劃。其于2001年從中山大學獲得理學學士學位；2001-2006年在加拿大卡爾加里大學(University of Calgary)獲得博士學位，導師為Wayne Chen教授；2007-2012年在美國斯克利普斯研究所(The Scripps Research Institute)從事神經(jīng)科學博士后研究，導師為2021年諾貝爾生理醫(yī)學獎得主Ardem Patapoutian教授。2013年入職清華大學，組建自己的獨立課題組，聚焦于解答壓力分子受體——機械門控PIEZO通道如何將機械力刺激轉(zhuǎn)化為電化學信號這一關(guān)鍵科學問題，并致力于開發(fā)相關(guān)的新型藥物和生物技術(shù)，迄今取得了系列重要研究成果，在Nature、Neuron等期刊發(fā)表系列研究論文。
 

02
內(nèi)容回顧

從“Piezo通道的發(fā)現(xiàn)與確立”到“Piezo的結(jié)構(gòu)與功能機制探究”，從“Piezo決定的生理與病理功能”再到“相關(guān)藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)”，肖百龍老師由淺入深，一步步地將2021年諾貝爾獎的核心之一——Piezo通道的全貌展現(xiàn)在我們面前。
 

 
一、Piezo通道的發(fā)現(xiàn)與確立
在多代科學家的努力下，Piezo通道得以被發(fā)現(xiàn)與確立。與研究溫覺與冷覺受體蛋白的思路不同首先通過電生理記錄，尋找到了響應(yīng)“戳”這種機械力而產(chǎn)生顯著電流的細胞系——N2A。接著通過基因芯片技術(shù)確定了N2A細胞系中高表達的基因。結(jié)合離子通道一般都是跨膜兩次以上的膜蛋白這一特點，他們從中挑選出300多個候選基因。通過RNA干擾技術(shù)在N2A細胞系中逐個抑制候選基因并記錄機械敏感電流，最后發(fā)現(xiàn)抑制Fam38A表達后電流顯著降低。Fam38A被重新命名為Piezo1（希臘語意為“壓力”），同家族的Fam38B被命名為Piezo2。Piezo家族就此被發(fā)現(xiàn)。
 
二、Piezo的結(jié)構(gòu)與功能機制探究
Piezo蛋白發(fā)現(xiàn)后，首先需要證明的是它的充分性。這一特性通過基因克隆實驗（在注入克隆基因的無機械力感應(yīng)細胞中探測到對機械力的反應(yīng)）被證實。接著通過純化Piezo蛋白、重組到人工脂質(zhì)體中并記錄到通道開放事件驗證了它是離子通道。，隨著Piezo通道的結(jié)構(gòu)被逐步解析，關(guān)于其功能機制的假說也越來越精準，利用杠桿模型，在外力的作用下，外側(cè)的彎曲的槳葉結(jié)構(gòu)被展平，該過程的機械力和形變將通過胞內(nèi)的長桿結(jié)構(gòu)傳遞到孔道中央，從而撬開通道。通過計算模型，槳葉展平過程的能量變化被估計了出來。科學家還進一步利用原子力顯微鏡對此進行了驗證。
 
三、Piezo決定的生理與病理功能
Piezo控制機械力相關(guān)的感覺產(chǎn)生，與視、味、嗅無關(guān)，與聽不直接相關(guān)。隨著對Piezo蛋白生理功能研究的逐步深入，過去臨床上的一些疑難雜癥也找到了病根，Piezo1的功能異常可能造成紅細胞干癟、先天性淋巴管發(fā)育不良、心血管、腎、腸異常以及免疫系統(tǒng)疾病；Piezo2的功能異常可能導致脊柱變形、本體感覺異常、機械超敏痛異常等疾病。在動物實驗的進一步證實下，已經(jīng)可以基本確定這些疾病由Piezo家族的基因突變導致。 
 
四、相關(guān)藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)
了解了Piezo異常導致的疾病的機理，可以找出研發(fā)相應(yīng)藥物的思路——促進或抑制Piezo功能來緩解病癥。激動劑可降低激發(fā)離子通道的閾值，從而使因結(jié)構(gòu)異常或其它原因而活性下降的Piezo通道在一定程度上恢復活性，以此恢復正常的觸覺和本體覺（應(yīng)對感覺失靈疾病）；抑制劑通過阻礙Piezo通道正常開啟來抑制其過度活化，例如Piezo2的抑制劑就有緩解機械超敏痛的潛力。迄今，已發(fā)現(xiàn)了Piezo1通道的激動劑Yoda1與Jedi分子。如何進一步尋找有更佳藥理學性質(zhì)的Piezo1激動劑和抑制劑以及尋找靶向Piezo2的小分子藥物將是下一步研究的目標。
 
最后，肖百龍老師補充了Piezo通道機制未能解釋的現(xiàn)象：聽覺和高閾值機械痛覺的產(chǎn)生不依賴于Piezo蛋白，并對其未來的研究發(fā)展做出進一步展望。

 

 

03
師生交流
 
在講座結(jié)束后，同學們也提出了關(guān)于學術(shù)、科研、學習方面的問題與思考，肖百龍教授也為大家一一解答。
下面讓我們來看看這些有趣的問題與回答吧。
 

Question 1：在剛才的介紹當中，非常強調(diào)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析對于整體研究的重大作用。我想了解像Piezo蛋白如此難解析的蛋白，在使用冷凍電鏡解析時有沒有采用什么巧妙的方法？
Answer：Piezo的解析的確很困難。但現(xiàn)在冷凍電鏡技術(shù)已經(jīng)突破，瓶頸主要存在于樣品的質(zhì)量。如果拿到了好的樣品，后期的解析工作難度就不是那么大了。因此拿到相對均一、正常的蛋白十分重要。我們實驗室使用的樣品較好，這對于我們在這方面研究的領(lǐng)先起到了重要作用。
 
Question 2：用Alpha-Fold研究Piezo這種比較難研究的蛋白的前景如何？
Answer：我認為Alpha-Fold是研究領(lǐng)域里一個非常重要的研究進展。我們用Alpha-Fold預測了Piezo的結(jié)構(gòu)，可以說預測結(jié)果（至少是Fold結(jié)構(gòu)）相當準確。在類似的研究中，這種預測結(jié)果的準確性也得到了極大的證實。但是Alpha-Fold仍然存在局限性，比如說它不能很好的預測多聚體結(jié)構(gòu)，而我們現(xiàn)在研究的許多蛋白都是多聚體。如果能夠預測多聚體，它的前景就會更加廣闊。
 

Question 3：Piezo蛋白很大，對于細胞來說能耗較大，如此大的分子量是否是必要的呢？
Answer：它的分子量大的原因之一，是覆蓋更大膜面積。但耗能不一定會很高，細胞膜表面只需受到一點機械擾動，就可以觸發(fā)蛋白由關(guān)閉態(tài)進入激發(fā)態(tài)。
 
Question 4：Piezo的敏感性較強，在外力施加的大小與性質(zhì)不同時，會不會有不同通道開啟的現(xiàn)象？
Answer：當然是可能的。不同的機械力（剪切力，拉力，壓力等），可能對于Piezo蛋白通道存在不同的調(diào)控方式。就實驗結(jié)果來看，Piezo 1對于壓力與拉力相應(yīng)均較好，而Piezo2僅對于壓力相應(yīng)較好。同時，不同的力可能會介導下游不同信號分子的反應(yīng)。當然，這些還有待進一步研究。
 

Question 5：在您的研究過程中，有效問題的提出似乎起到了重要作用。但在大多數(shù)情況下，自己卻提不出什么有效的問題。因此我想了解：作為一個本科生，我們應(yīng)該如何培養(yǎng)自己的問題意識？
Answer：這是一個很好的問題。就像剛才我們提到的，第一點，提問的應(yīng)該是自己沒有答案的問題，凡是自己不了解不清楚的（問題），都可以提出來。舉個例子，比如說我們的問題：如何感受力？這個問題似乎沒有想過，我就可以去看看這個問題有沒有先人研究過。再比如說，肖老師剛才講的Piezo蛋白的離子通道結(jié)構(gòu)，你就可以問：這樣是不是缺了什么（研究過程）？這些究竟有沒有證據(jù)？因此第二點，向所謂“權(quán)威”提出質(zhì)疑，也是好的提問思考方向。
 
Question 6：Piezo是一種離子通道，有沒有可能改造成一種技術(shù)上的分子工具呢？若能，改造的思路以及困難有哪些呢？
Answer：除了用小分子來操控Piezo蛋白以外，我們還有其它的方式，其中一個很受歡迎的方向就是運用超聲波來操控細胞及其行為學現(xiàn)象。如果Piezo可以感知超聲，就可以通過將Piezo導入細胞，這樣就可以通過超聲波來激活細胞。雖然現(xiàn)在沒有顯著的研究證明Piezo具有感知超聲波的能力，但這是一個潛在的方向。另一個方向就是針對細胞中微小機械力的檢測。細胞中的機械力很小，往往是pN級別的，如果利用Piezo蛋白的敏感性，將其表達在細胞表面，或許可以發(fā)揮出它的力探測器的作用。
 

 
Question 7：在發(fā)現(xiàn)Piezo蛋白及研究其結(jié)構(gòu)的過程中，最困難的是什么？將Piezo蛋白推廣到應(yīng)用領(lǐng)域中，要克服哪些困難呢？
Answer：發(fā)現(xiàn)時難點主要還是因為蛋白較大，表達以及純化相當困難。這樣的蛋白在做體外的生化實驗、藥物篩選時十分困難。因為蛋白的量很少（純化困難造成），我們在Piezo蛋白的小分子激活方面的研究非常有限。應(yīng)用方面，在做檢測工具這一方面，主要的困難也是在于其較大的分子量。分子量大使它很難在細胞內(nèi)表達，同時也很難通過包被進病毒的方式侵染導入細胞。我們也正在做許多嘗試，試圖在保持其生理功能的同時盡可能縮短其序列。把Piezo變小能在很大程度上推進其應(yīng)用發(fā)展。
 
Question 8：在您的介紹中，不同離子通道的跨膜次數(shù)不同，請問跨膜次數(shù)對于離子通道的意義是什么？
Answer：非常好的問題，但是我還沒有（特別準確）的具體答案。依我的理解，一方面跨膜次數(shù)多可以增大覆蓋面積，從而增大離子通道的感受域。這樣在較大的范圍施加力，離子通道都能感知并做出響應(yīng)，這樣它的敏感性就會得到提高。另外一方面，跨膜次數(shù)或許和（離子通道）蛋白的彈性有關(guān)。因為在一篇文章中比較了不同（離子通道）蛋白單位面積上的跨膜次數(shù)，而Piezo蛋白屬于（單位面積上跨膜次數(shù)）較少的一種。我覺得這可能與通道蛋白的彈性有關(guān)，但還沒有直接的證據(jù)。因此這個方面很值得研究。
 

 
Question 9：調(diào)節(jié)Piezo蛋白功能的藥物是一種化學藥物還是天然藥物呢？Piezo1小分子藥物結(jié)構(gòu)上有羧基，因此整個分子是帶負電的。那么電荷是否有影響呢，如果改成正電會如何呢？
Answer：目前發(fā)現(xiàn)的都是化學藥物。我們也篩選了一些天然的植物，但還沒有較好的結(jié)果。我們還沒有做太多的Structure Activity的研究，因為我們認為它的親和力還不是特別好。
 
Question 10：對于Piezo蛋白伸展功理論值的計算，您用的是線性模型。我覺Piezo的三個葉片打開時可能不是直接（直線）打開，而是像螺母一樣旋轉(zhuǎn)打開，如果是這樣的話是否應(yīng)該用曲線來模擬呢？
Answer 10：這是我們從高度方面進行的一個模型模擬，就像彈簧一樣，這樣是一個線性模型。當然我們認為除了高度變化，槳葉的旋轉(zhuǎn)也有參與。兩個Gate中上面的一個很可能就是通過旋轉(zhuǎn)打開的，我們認為下部是限速因素，上部移動更容易。
 

Question 11：我們的皮膚不同部位對外力的感受敏感性不一樣，一方面是皮膚厚度有關(guān)系，另一方面是否受感受器分布的影響呢？
Answer 11：這與神經(jīng)元以及神經(jīng)末梢在皮膚上分布的密度，以及每個神經(jīng)末梢上是否有Piezo蛋白的表達以及Piezo蛋白表達的多少都是有關(guān)的。因此人皮膚的不同部位有不同的敏感性。
 
Question 12：Piezo蛋白的機理是否對于解釋中醫(yī)中針灸中經(jīng)絡(luò)的一些理論有幫助？
Answer 12：前天Nature上發(fā)表了一篇文章，指出的就是電針刺激可以影響交感神經(jīng)調(diào)控免疫系統(tǒng)。同理正常的機械刺激（針刺）也可以引發(fā)類似反應(yīng)，響應(yīng)刺激的受體很可能是Piezo 2蛋白。目前我們還沒有開展這類研究，但從科學的角度來解釋中醫(yī)，還是很有趣的。
 
Question 13：我看到有很多機械門控的機制，但我們體內(nèi)的細胞有很多胞外機制和細胞骨架，這樣在真實體內(nèi)的情況是不是會與機械模型不同？
Answer 13：機械門控主要有兩種機制，一種是直接感受膜張力的變化；另一種則是（機械門控）通過與細胞骨架直接連接，細胞（受到外力）形變時細胞骨架發(fā)生變化，直接拉扯機械門控使通道打開。Piezo能感受膜張力的改變，也可以與細胞骨架連接，因此它受兩方面的共同調(diào)控。正如剛才的模型只考慮了膜張力的變化，計算值是2pN/nm，真實值是1.4pN/nm，這可能是由于細胞骨架也貢獻了一部分的機械拉力。
 
04
總結(jié)回顧

藥學實驗教學中心主任，藥學院教工黨支部書記劉清飛老師、藥1、探微-藥1班主任郝艷麗老師也受邀出席本次論壇，兩位老師均表示了對本科生論壇的肯定與對同學們在論壇中學習、進步、交流、成長的期待。本次論壇得到了教務(wù)辦楊尹老師、合作方展辦蒼立楠老師的大力支持。
 

在老師、同學們熱烈的掌聲和快樂的午餐會中，藥學院本科生論壇第五期圓滿結(jié)束。