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機(jī)械力信號(hào)在生活中無(wú)處不在，參與介導(dǎo)多種感知覺(jué)的形成，比如手指觸摸書(shū)本產(chǎn)生觸覺(jué)，聲波傳遞到耳內(nèi)引起震動(dòng)產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。這些機(jī)械力信號(hào)的感知與傳導(dǎo)主要通過(guò)機(jī)械力敏感離子通道來(lái)完成。機(jī)械力信號(hào)能夠激活這些通道，從而允許離子通過(guò)，將機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)，通過(guò)下游信號(hào)傳導(dǎo)介導(dǎo)多種重要的生理活動(dòng)。OSCA/TMEM63家族是目前已知的最大的一類(lèi)機(jī)械力敏感離子通道家族，在植物和動(dòng)物界中均承擔(dān)著重要的生理功能，比如逆境響應(yīng)、聽(tīng)覺(jué)、渴覺(jué)及濕度感知等1-5。然而，由于在結(jié)構(gòu)解析的過(guò)程中模擬機(jī)械力環(huán)境非常困難，OSCA/TMEM63家族蛋白的機(jī)械力激活的分子機(jī)制尚不明確，是機(jī)械力通道研究領(lǐng)域的一大技術(shù)難點(diǎn)。

2024年4月3日，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、生命過(guò)程小分子調(diào)控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張一小課題組聯(lián)合澳大利亞Vitor Chang心臟研究所Charles Cox課題組以及澳大利亞國(guó)立大學(xué)Ben Corry課題組在Nature上發(fā)表了題為Mechanical activation opens a lipid-lined pore in OSCA ion channels的文章。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將OSCA蛋白組裝到納米磷脂盤(pán)及脂質(zhì)體中模擬機(jī)械力環(huán)境，捕捉到了OSCA蛋白激活態(tài)的三維構(gòu)象，闡釋了其機(jī)械力激活的分子機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了一種全新的有磷脂排列的離子孔道組成形式（圖1），為機(jī)械力通道的研究提供了全新的范式，也為機(jī)械力感知異常相關(guān)藥物研發(fā)提供了理論和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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圖1. OSCA受機(jī)械力激活動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

本文的主要亮點(diǎn)包括：

1.通過(guò)多種不同的策略來(lái)捕捉OSCA蛋白激活態(tài)的三維構(gòu)象；（圖2）

2. 利用納米磷脂盤(pán)發(fā)展了一種簡(jiǎn)單易用的“l(fā)ipid titration”機(jī)械力模擬方法來(lái)進(jìn)行“force-resolved” 的結(jié)構(gòu)研究；

3. 實(shí)現(xiàn)了分子量小于200kDa的膜蛋白在脂質(zhì)體中的高分辨三維結(jié)構(gòu)解析；

4. 揭示了不同磷脂在OSCA機(jī)械力感知過(guò)程中的重要作用；

5. 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜中的磷脂可以通過(guò)其headgroup形成“l(fā)ipid wall”來(lái)參與離子孔道的組成；

6. 對(duì)結(jié)構(gòu)相似的TMC1及TMEM16家族蛋白的分子機(jī)制研究有很大的啟發(fā)。

在本文的研究中，作者首先嘗試將OSCA1.2蛋白組裝在納米磷脂盤(pán)中（nanodiscs，由膜支架蛋白圍成的磷脂雙分子層小圓盤(pán)）并使用β-環(huán)糊精抽提其中的脂質(zhì)來(lái)引起剩余脂質(zhì)的擴(kuò)張，進(jìn)而在蛋白周?chē)a(chǎn)生拉力環(huán)境。在冷凍電鏡的結(jié)構(gòu)解析過(guò)程中，作者發(fā)現(xiàn)蛋白顆粒高度動(dòng)態(tài)，雖然能夠觀察到與關(guān)閉狀態(tài)不同的構(gòu)象變化，但是難以獲取清晰的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，推測(cè)是與環(huán)糊精從每個(gè)nanodisc中抽取出來(lái)的脂質(zhì)含量不同有關(guān)。此時(shí)，作者猜想， 如果從一開(kāi)始組裝nanodiscs的時(shí)候，就用不同量的磷脂來(lái)組裝，這樣更容易控制每個(gè)nanodisc中磷脂的含量，從而可能調(diào)節(jié)蛋白周?chē)Φ拇笮?。通過(guò)這種“l(fā)ipid titration”的方法，作者對(duì)蛋白構(gòu)象變化進(jìn)行了“滴定”，捕捉到了OSCA1.2單側(cè)激活的構(gòu)象。但是在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，有兩根跨膜螺旋密度缺失，并且離子孔道面向細(xì)胞膜有很大的開(kāi)口，因此無(wú)法確認(rèn)離子通過(guò)路徑。接下來(lái)，作者通過(guò)電生理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了曲率變化可以激活OSCA蛋白，而在之前的研究中，肖百龍教授團(tuán)隊(duì)成功的用脂質(zhì)體與蛋白之間的曲率錯(cuò)配來(lái)捕捉Piezo1蛋白在激活態(tài)的三維結(jié)構(gòu)，提示了脂質(zhì)體可以用于其他機(jī)械力通道的研究6。但是OSCA蛋白總分子量只有175kDa，并且大部分包埋在細(xì)胞膜當(dāng)中，給結(jié)構(gòu)解析帶來(lái)了很大困難。作者通過(guò)樣品的優(yōu)化，成功將OSCA1.2組裝到大小較為均一的脂質(zhì)體中，并在inside-in的取向中捕捉到了OSCA蛋白完全激活的高分辨三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和電生理實(shí)驗(yàn)，揭示了OSCA蛋白機(jī)械力感知的關(guān)鍵元件，以及發(fā)現(xiàn)二聚化對(duì)于穩(wěn)定OSCA蛋白的激活狀態(tài)十分重要?？墒窃诖碎_(kāi)放構(gòu)象中，雖然所有的跨膜螺旋都被清晰的解析，但離子孔道仍舊向細(xì)胞膜側(cè)有較大的開(kāi)口。有意思的是，在電鏡密度圖中作者發(fā)現(xiàn)該開(kāi)口剛好被一段由細(xì)胞膜磷脂組成的lipid wall所覆蓋。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和電子密度特征，作者發(fā)現(xiàn)該lipid wall主要由磷脂的head group構(gòu)成，而電生理實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)改變head group的電性特征，會(huì)影響OSCA1.2的離子選擇性，進(jìn)一步支持這一全新的“proteo-lipidic pore”。同時(shí)，作者還在OSCA3.1蛋白中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)穩(wěn)定結(jié)合的lipids，結(jié)構(gòu)研究和電生理實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)通過(guò)突變移除一個(gè)interlocking lipid能夠引起OSCA3.1的自發(fā)開(kāi)放，提示了磷脂在機(jī)械力感知過(guò)程中的重要作用。

圖2. 通過(guò)不同的策略捕捉OSCA蛋白激活態(tài)的三維構(gòu)象并發(fā)現(xiàn)新的離子孔道組成形式

總的來(lái)說(shuō)，本篇文章中作者通過(guò)多種策略模擬機(jī)械力環(huán)境，結(jié)合冷凍電鏡、電生理、分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，首次揭示了OSCA/TMEM63家族蛋白在機(jī)械力激活狀態(tài)下一種全新的“蛋白-磷脂”離子孔道組成形式。由于OSCA/TMEM63家族蛋白與介導(dǎo)聽(tīng)覺(jué)形成的TMC1機(jī)械力敏感通道及具有離子通道和脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶活性的TMEM16家族蛋白在結(jié)構(gòu)上具有高度相似性，該研究也對(duì)這些結(jié)構(gòu)相似家族蛋白的分子機(jī)制有很大的啟發(fā)。此外，該研究發(fā)展了新的基于nanodiscs的機(jī)械力環(huán)境模擬方法，同時(shí)擴(kuò)展了小膜蛋白在脂質(zhì)體中進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析的可行性，為包括機(jī)械力通道在內(nèi)的其他膜蛋白研究提供了新的思路。

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生韓瑤瑤，澳大利亞Victor Chang心臟研究所博士后周子晶與澳大利亞國(guó)立大學(xué)博士后金瑞濤為本文共同第一作者。張一小研究員，Charles Cox教授與Ben Corry教授為本文共同通訊作者。上海科技大學(xué)孫亞?wèn)|研究員，浙江大學(xué)楊巍教授、岳曉敏研究員，上海有機(jī)所生物與化學(xué)交叉中心陳忠文研究員以及本文其他作者也對(duì)做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金海外優(yōu)青項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院上海分院青年英才培育計(jì)劃、上海腦中心求索杰出青年項(xiàng)目及上海市科委的資助。

張一小研究員長(zhǎng)期招聘細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向博士后和科研助理，歡迎申請(qǐng)。對(duì)于優(yōu)秀的博士后人選，將推薦申請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心 “博士后獨(dú)立PI培育”計(jì)劃 （https://www.ircbc.ac.cn/view.do?id=2747）。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07256-9

參考文獻(xiàn)：

1. Yuan,F. et al. OSCA1 mediates osmotic-stress-evoked Ca2+ increases vital for osmosensing in Arabidopsis. Nature 514,367-371 (2014).

2. Murthy,S. E. et al. OSCA/TMEM63 are an evolutionarily conserved family of mechanically activated ion channels. Elife 7,e41844 (2018).

3. Du,H. et al. The cation channelTMEM63Bis an osmosensor required for hearing. Cell Rep 31,107596 (2020).

4. Li,S. et al. Humidity response in Drosophila olfactory sensory neurons requires the mechanosensitive channel TMEM63. Nature Communications 13,3814 (2022).

5. Yang,G. et al.TMEM63Bchannel is the osmosensor required for thirst drive of interoceptive neurons.”?Cell discovery?(2024).

6. Yang,X. et al. Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes.?Nature 604(7905):377-383 (2022).