2021年2月8日，結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心肖百龍課題組在《自然?通訊》(Nature Communications) 雜志在線發(fā)表了題為《機(jī)械門控離子通道Piezo1介導(dǎo)心臟的機(jī)械-化學(xué)傳導(dǎo)》（The mechanosensitive Piezo1 channel mediates heart mechano-chemo transduction）的研究長(zhǎng)文，揭示了機(jī)械門控Piezo1離子通道是作為心肌細(xì)胞的機(jī)械傳感器，可以直接感受機(jī)械力并將其轉(zhuǎn)化為 細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)和 活性氧物質(zhì)（reactive oxygen species, ROS）信號(hào)，從而維持心臟功能穩(wěn)態(tài)，其表達(dá)異常參與心臟疾病的發(fā)生。該研究為一百多年前所發(fā)現(xiàn)的著名的心臟生理學(xué)現(xiàn)象 “Frank-Starling 規(guī)律”和“Anrep 效應(yīng)”提供了分子機(jī)制方面的解釋，也提示Piezo1可以作為治療心臟疾病的重要新型藥物靶點(diǎn)。
研究背景
機(jī)械門控離子通道
心臟跳動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷著劇烈的機(jī)械力變化，并可以進(jìn)行自我調(diào)節(jié)改變心輸出量以適應(yīng)心臟周期中的血液動(dòng)力學(xué)變化。舒張末期容積增加引起心室壁擴(kuò)張，心肌纖維會(huì)被拉長(zhǎng)，心室壁受壓，使得心肌的收縮力上升，心輸出量增加，隨后力緩慢持續(xù)增加數(shù)分鐘。這種心臟適應(yīng)前、后負(fù)荷使心輸出量增加的機(jī)制被分別命名為Frank-Starling規(guī)律和Anrep效應(yīng)。盡管Frank-Starling現(xiàn)象的部分解釋是由于肌源纖維的鈣敏感性增加引起的，同時(shí)有證據(jù)表明心肌細(xì)胞鈣濃度的增加在調(diào)節(jié)拉伸誘導(dǎo)的心臟收縮增強(qiáng)過(guò)程中起關(guān)鍵作用。科學(xué)家們推測(cè)機(jī)械門控陽(yáng)離子通道賦予心肌細(xì)胞機(jī)械敏感性并且介導(dǎo)心臟的機(jī)械傳導(dǎo)，通過(guò)鈣信號(hào)傳遞，決定心臟收縮的強(qiáng)度。然而直至100多年后的今天，尚未確定這種潛在的機(jī)械傳導(dǎo)通道以及其在正常和患病心臟中的作用。
機(jī)械門控Piezo離子通道是哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)確立的首類機(jī)械門控陽(yáng)離子通道家族，包含Piezo1和Piezo2兩個(gè)成員 (Coste et al., Science 2010; Coste, Xiao et al., Nature 2012)。Piezo1在包括內(nèi)皮細(xì)胞、紅細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、上皮細(xì)胞以及成骨細(xì)胞等多種細(xì)胞類型中介導(dǎo)機(jī)械敏感陽(yáng)離子電流，并觸發(fā)下游鈣信號(hào)通路以完成廣泛的細(xì)胞學(xué)功能。Piezo1在血管系統(tǒng)中承擔(dān)非常重要的作用，參與調(diào)控包括血管及淋巴管發(fā)育、血管收縮、紅細(xì)胞體積以及阻力動(dòng)脈重塑等諸多生理過(guò)程。此外，Piezo1與Piezo2一起被認(rèn)為作為壓力感受器神經(jīng)元(baroreceptor)中的機(jī)械傳感器感受血壓，通過(guò)反射性控制心率和心輸出量從而維持血壓穩(wěn)態(tài)。然而，Piezo1在心肌細(xì)胞和心臟中的表達(dá)和功能尚未被報(bào)道。
肖百龍博士課題組利用生化結(jié)構(gòu)、電生理、高通量藥物篩選、轉(zhuǎn)基因小鼠模型以及人類遺傳學(xué)等多學(xué)科研究手段，聚焦解答機(jī)械門控Piezo通道如何將機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)，以及其如何利用自身機(jī)械敏感性和通道特性來(lái)決定相關(guān)的生理病理功能，并致力于開(kāi)發(fā)以Piezo通道為靶點(diǎn)的新型藥物及技術(shù)。迄今在Piezo通道的三維結(jié)構(gòu)解析 (Nature 2015, 2018, 2019)、分子機(jī)制揭示 (Neuron 2016; Nature Communications 2017; Neuron 2020；BioRxiv 2020)、小分子藥物發(fā)現(xiàn) (Nature Communications 2018)、以及生理病理功能探索 (Cell Reports 2019; eLife 2019) 等方面取得了系列重要研究成果。肖百龍博士獲邀為2020年度Annual Review of Pharmacology and Toxicology (2020 Jan 6; 60:195-218) 撰寫(xiě)了年度綜述文章，系統(tǒng)介紹了Piezo通道在近10年的重要研究進(jìn)展以及其作為新型藥物靶點(diǎn)進(jìn)行藥物開(kāi)發(fā)的重要前景和策略。
探索：發(fā)現(xiàn)Piezo1通道在心臟中的重要作用
在最新發(fā)表的這篇《自然?通訊》研究論文中，研究人員利用多種轉(zhuǎn)基因小鼠模型、結(jié)合單個(gè)心肌細(xì)胞的機(jī)械張力操控、以及鈣和ROS信號(hào)的測(cè)量檢測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)Piezo1通道在心肌細(xì)胞膜上呈點(diǎn)狀和橫紋樣表達(dá)，并作為心肌細(xì)胞的機(jī)械傳感器介導(dǎo)心臟的機(jī)械化學(xué)傳導(dǎo)，直接將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為鈣和ROS信號(hào)通路，為解釋機(jī)械力和心臟做功之間的正相關(guān)提供了分子基礎(chǔ)。Piezo1在心臟中維持心臟功能穩(wěn)態(tài)平衡，并且在病理?xiàng)l件下影響心臟疾病的發(fā)展。
他們發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞中的Piezo1可以介導(dǎo)機(jī)械力誘導(dǎo)下的鈣響應(yīng)以及細(xì)胞中鈣穩(wěn)態(tài)平衡。當(dāng)心肌細(xì)胞受到機(jī)械力刺激激活Piezo1，依賴Piezo1的Ca2+內(nèi)流通過(guò)Rac1-NOX2信號(hào)通路調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生和穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而作用于RyR2(鈣離子釋放通道)來(lái)改變其通道活性 (圖1)。表明在這兩個(gè)對(duì)心臟功能至關(guān)重要的信號(hào)分子之間存在Piezo1介導(dǎo)的一個(gè)正反饋回路，從而使表達(dá)在心肌細(xì)胞中的Piezo1能很好的響應(yīng)由心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的劇烈和周期性的機(jī)械壓力。
圖：機(jī)械門控Piezo1通道介導(dǎo)心肌細(xì)胞機(jī)械-化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、維持心臟功能穩(wěn)態(tài)并參與心臟疾病發(fā)生。
心肌細(xì)胞特異性敲除或過(guò)表達(dá)Piezo1導(dǎo)致鈣信號(hào)和 ROS信號(hào)失調(diào)以及心臟功能障礙，證明了Piezo1可以維持心臟功能穩(wěn)態(tài)。當(dāng)心肌細(xì)胞受到機(jī)械力刺激，Piezo1開(kāi)放引起的鈣內(nèi)流一方面增加肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)的含量，并通過(guò)NOX2-ROS信號(hào)通路增強(qiáng)RyR2的通道活性，可導(dǎo)致心肌細(xì)胞在收縮期的鈣反應(yīng)增強(qiáng)從而增加心肌細(xì)胞的收縮強(qiáng)度，從而維持心臟正常功能穩(wěn)態(tài)。敲除Piezo1導(dǎo)致鈣內(nèi)流和ROS產(chǎn)生的減少，從而導(dǎo)致肌漿網(wǎng)鈣含量降低以及RyR2通道的敏感性降低，阻斷了正反饋回路，引起心臟泵血功能下降，導(dǎo)致擴(kuò)張型心肌?。欢^(guò)表達(dá)Piezo1則引起鈣內(nèi)流和ROS過(guò)度產(chǎn)生，引起自發(fā)性肌漿網(wǎng)鈣泄漏增加，致使肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)大量損失，并產(chǎn)生可致心律失常的鈣波，最終導(dǎo)致Piezo1過(guò)表達(dá)小鼠出現(xiàn)嚴(yán)重的心力衰竭和心律失常表型。
在一些組織和細(xì)胞中Piezo1通道和機(jī)械力之間存在正反饋關(guān)系，例如神經(jīng)膠質(zhì)瘤和成骨細(xì)胞。在心臟中也存在這種正反饋關(guān)系，Piezo1在小鼠疾病模型和人類患病心臟中均自主上調(diào)，研究者認(rèn)為在心臟機(jī)械負(fù)荷（病理或衰老）刺激下Piezo1首先適應(yīng)性上調(diào)，但由于鈣和ROS信號(hào)的正反饋機(jī)制，最終導(dǎo)致心肌病的產(chǎn)生。他們發(fā)現(xiàn)Piezo1缺失可以逆轉(zhuǎn)藥物誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷。因此，阻斷Piezo1有可能作為治療人類心臟疾病的新的治療策略。
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