Piezo家族離子通道感知機(jī)械力環(huán)境變化，將機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)化為下游電化學(xué)信號(hào)，介導(dǎo)多種重要的生理活動(dòng)，包括觸覺(jué)、痛覺(jué)的感知、淋巴管發(fā)育、血壓調(diào)節(jié)、神經(jīng)軸突再生等。它的功能的異常會(huì)導(dǎo)致觸覺(jué)超敏痛、淋巴管發(fā)育不良、神經(jīng)退行性疾病等。而圍繞Piezo家族蛋白功能機(jī)制的研究，仍存在諸多未解之謎。例如，Piezo蛋白自身能夠感知和傳遞機(jī)械力信號(hào)，但研究發(fā)現(xiàn)與異源表達(dá)的Piezo蛋白相比，在很多細(xì)胞系中內(nèi)源表達(dá)的Piezo表現(xiàn)出慢失活的門控特性（slow inactivation）。這種門控特性差異產(chǎn)生的原因和生理意義尚不清楚，研究推測(cè)與蛋白的相互作用或膜局部的磷脂組成等有關(guān)。由于許多離子通道都存在與之相結(jié)合的附屬亞基來(lái)調(diào)控其亞細(xì)胞定位和門控特性，科研人員致力于尋找能夠調(diào)控Piezo蛋白功能的附屬亞基。附屬亞基的定義通常為自身并不參與離子孔道形成 、與孔道蛋白有直接和穩(wěn)定的相互作用、在異源表達(dá)系統(tǒng)中能夠調(diào)控通道特性、在內(nèi)源細(xì)胞中能夠調(diào)控通道門控特性。盡管科學(xué)家做出了努力，但目前尚未發(fā)現(xiàn)能夠滿足以上四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Piezo附屬亞基，阻礙了對(duì)Piezo蛋白不同門控特性分子機(jī)制的研究。

8月18日，澳大利亞Victor Chang心臟研究所Charles Cox課題組與中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張一小課題組，在《科學(xué)》（Science）上，發(fā)表了題為《MyoD家族抑制蛋白作為Piezo通道的輔助亞基》（MyoD-family inhibitor proteins act as auxiliary subunits of Piezo channels）的研究文章。該研究首次報(bào)道了MyoD家族抑制蛋白MDFIC和MDFI是Piezo1/2的結(jié)合蛋白，通過(guò)結(jié)構(gòu)解析和功能研究發(fā)現(xiàn)MDFIC通過(guò)C末端一段高度脂質(zhì)化修飾的兩親性α螺旋從側(cè)面插向Piezo的孔道模塊，并證實(shí)該α螺旋能夠引起外源和內(nèi)源Piezo1/2的慢失活過(guò)程。該研究鑒定了首個(gè)Piezo蛋白附屬亞基，解釋了在許多細(xì)胞類型中觀察到的內(nèi)源Piezo通道截然不同的門控特性，為Piezo通道功能機(jī)制的研究提供了全新方向。

本研究利用CRISPR/Cas9編輯人真皮成纖維細(xì)胞?(hDF)?中的Piezo1（在多種組織來(lái)源的成纖維細(xì)胞中Piezo1表現(xiàn)出較慢的失活特性）,?通過(guò)三種不同的策略來(lái)鑒定Piezo1結(jié)合蛋白。研究經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析，確定三組中均存在但在各自的陰性對(duì)照中不存在的Piezo1相互作用蛋白。研究?jī)H鑒定出兩種蛋白質(zhì)——第一種是Piezo1，第二種是研究較少的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子MDFIC（圖1）。研究通過(guò)免疫共沉淀在HEK293T細(xì)胞中驗(yàn)證了MDFIC與Piezo1/2之間的相互作用。

為探究MDFIC與Piezo的相互作用模式，科研人員利用冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)，解析了Piezo1-MDFIC復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了MDFIC通過(guò)C末端一段富含半胱氨酸的兩親性α螺旋從側(cè)面插向Piezo的孔道模塊。該α螺旋橫躺于磷脂雙分子層內(nèi)側(cè)，與Piezo蛋白的多個(gè)氨基酸存在相互作用。研究顯示，在Piezo與MDFIC上均有能夠引起淋巴系統(tǒng)發(fā)育異常的突變位于該相互作用界面上，提示了Piezo-MDIFC復(fù)合物在功能上的重要性（圖2）。

由于MDFIC結(jié)合在Piezo的孔道模塊，研究推測(cè)MDFIC可能會(huì)調(diào)控Piezo的門控特性。通過(guò)全細(xì)胞膜片鉗，研究證實(shí)MDFIC和MDFI能夠顯著引起Piezo1/2通道的慢失活門控特性。該門控特性是由與Piezo相互作用的最C末端的兩親性α螺旋所介導(dǎo)，缺失該α螺旋的MDFIC則不能引起Piezo的慢失活。同時(shí)，研究驗(yàn)證了該α螺旋對(duì)于內(nèi)源Piezo的慢失活同樣重要（圖3）。

進(jìn)一步，研究初步探討了MDIFC引起Piezo慢失活的分子機(jī)制。由于在Piezo1-MDFIC復(fù)合物冷凍電鏡密度中，位于細(xì)胞膜一側(cè)的5個(gè)半胱氨酸上均具有多余的密度，研究推測(cè)其為脂質(zhì)化修飾。通過(guò)?；锼亟粨Q實(shí)驗(yàn)，研究證實(shí)MDFIC的C末端存在棕櫚?；揎??？蒲腥藛T研究了MDFIC脂質(zhì)化修飾對(duì)Piezo門控特性的影響。研究將5個(gè)Cys突變?yōu)?個(gè)Ala或者5個(gè)Ser之后，缺少脂質(zhì)化修飾的MDFIC仍能夠與Piezo相結(jié)合，但無(wú)法引起Piezo的慢失活，提示MDFIC的脂質(zhì)化修飾對(duì)于Piezo的門控特性具有重要的調(diào)節(jié)作用。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究發(fā)現(xiàn)MDFIC上的脂質(zhì)化修飾能夠與在Piezo失活過(guò)程中起到關(guān)鍵作用的L2475相互作用，可能介導(dǎo)了MDFIC對(duì)于Piezo蛋白的調(diào)控（圖4）。

綜上，本文鑒定了首個(gè)Piezo蛋白附屬亞基MDFIC，通過(guò)結(jié)構(gòu)解析和功能研究，揭示了MDFIC介導(dǎo)Piezo慢失活的分子機(jī)制。研究工作得到科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院上海分院青年英才培育計(jì)劃、上海腦科學(xué)與類腦研究中心“求索杰出青年”計(jì)劃和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。

論文鏈接

圖1.?親和捕獲質(zhì)譜鑒定MDFIC是Piezo結(jié)合蛋白

圖2.?Piezo1-MDFIC冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)

圖3.?MDFIC/MDFI調(diào)控Piezo蛋白的門控特性

圖4. MDFIC的脂質(zhì)化修飾參與Piezo門控調(diào)節(jié)