年4月6日，Nature在线刊登了肖百龙与李雪明团队合作论文——StructuredeformationandcurvaturesensingofPIEZO1inlipidmembranes，首次解析了机械力受体PIEZO1在脂膜环境中的受力形变过程，定量了其皮牛尺度的机械敏感性，建立了其曲率感知理论学说，从根本上解答了PIEZO1蛋白将物理机械刺激转化成生物电信号这一核心科学问题。果壳硬科技第一时间与肖百龙教授取得联系，以下为肖百龙及其学生杨旭中撰写的论文解读文章。
诺奖研究未解之谜：
如何感受机械力？
日常生活中，握手、行走、刷手机和血压飙升等行为，都是由机械力感知所决定的。我们知道，力是无形的，那么我们人体是如何感知到力的存在的呢？直到年，ArdemPatapoutian教授团队报道了一类介导人体机械力感知的分子受体—PIEZO蛋白，为我们认识了解这一基本的生物学问题带来了突破。也因为这一发现，ArdemPatapoution与DavidJulius教授（温度受体发现者）同时获得了年诺贝尔生理学或医学奖。
图1：诺贝尔生理学或医学委员会在发布的示意图总结了PIEZO的发现（上半）、所介导的触觉、本体觉感知等生理病理功能（下右），以及结构模型与机械力感知假说猜想（下左）
团队供图
虽说发现了PIEZO蛋白并证明其在诸多生理、病理过程中发挥作用，但我们仍不清楚这种蛋白是如何将物理机械刺激转化成生物电信号的。
年，肖百龙在Patapoutian课题组从事博士后研究期间，首次证实了PIEZO蛋白是在哺乳动物中鉴定发现的首类机械门控阳离子通道(Nature)；随后其课题组与合作者在PIEZO的结构功能机制研究方面取得了一系列重要研究进展，帮助推动了PIEZO的发现与研究，成为了年的诺贝尔生理学或医学奖研究成果（图2）。
左右滑动查看
图2：PIEZO的机械力感知分子机制研究进展总结
团队供图
基于肖百龙与李雪明课题组合作解析的PIEZO家族成员PIEZO1[1]与PIEZO2[2]的三维结构[MacKinnon[3]以及PatapoutianWard[4]课题组也同时报导了PIEZO1的结构]以及机制研究[5,6]，研究者们提出了PIEZO的机械力感知机制猜想：
PIEZO形成三聚体三叶螺旋桨状离子通道，中心是负责离子通透的孔道部分，外周是三个负责机械力感知的桨叶部分（图1及图3左侧）。有趣的是，在孔道关闭时，嵌在细胞膜中的桨叶呈现高度弯曲的状态，提示其可以弯曲其所在的细胞膜，形成纳米碗（nanobowl）状的PIEZO-脂膜体系（图1及图3右侧）。
有研究显示PIEZO1蛋白可以在受力刺激下发生可逆的形变[7]。基于这些结构功能研究，研究者们提出当细胞膜张力改变时，PIEZO可以从弯曲状变为平展状，带动中间的孔道开放，从而将机械力刺激转化为阳离子流通。
图3：PIEZO通道的三聚体三叶螺旋桨状（左，俯视图）与纳米碗状（右，平视图）三维结构
团队供图
但事实上，在年诺奖颁布时，研究者们还未能解析出PIEZO受力开放的结构。膜上PIEZO在受力后是否会如诺奖示意图中所展示的一样（图1），从弯曲的关闭态进入平展的开放态？这是PIEZO诺奖研究的未解之谜。
如何引入力？
得益于冷冻电镜在生物大分子结构解析方面的技术突破，研究者们可以解析出诸多蛋白在静息和游离状态下的结构。但是，生物大分子发挥功能伴随着结构的变化，而这些变化往往取决于其组装形式、配体结合和所处的物理状态（膜环境、电势能、温度和力等）。如今技术可以得到复合组装、配体结合下的变化结构，但如何在严苛的冷冻样品状态下，引入无形的膜张力呢？
作者们借鉴前人把膜蛋白重组进脂质体的做法，并用冷冻电镜解析其结构的技术[8,9]，经过反复尝试、摸索，最终首次建立了膜上受力结构解析体系（图4）。该策略的核心是通过蛋白与脂质体之间的曲率差异（curvaturemismatch）来引入膜张力，这对PIEZO蛋白尤为适用，因为PIEZO的个跨膜结构域形成的跨膜区并不在一个平面上，而是形成纳米碗状的凹陷结构（图3）。
图4：PIEZO1-脂质体冷冻电镜三维结构解析
团队供图
PIEZO1的形变与曲率感知特性
PIEZO1本身的曲率半径接近10nm，其主要以outside-in的方式重组到脂质体中。在同等大小的脂质体中时，曲率相符呈圆形。当它重组进更大的脂质体中时，曲率半径的差异在两者间产生力，蛋白和膜发生形变，呈水滴状（图4c）。
而当一小部分PIEZO1以outside-out的方式重组到脂质体中（图4b箭头所示），PIEZO1蛋白与脂质体的曲率半径朝向截然相反，膜与蛋白间产生的的作用力变大，导致PIEZO1蛋白处于受力展平的构象状态（图4d）。
研究者们最终得到PIEZO1在膜上契合状态（10nm曲率半径）和受力展平的两种结构，分别命名为弯曲（Curved）和平展（Flattened）构象（图5a和图5b），图5佐证了PIEZO1蛋白具备可逆形变和感知脂膜曲率变化的特殊能力。
图5（a）：Piezo在膜上契合结构
团队供图
图5（b）：Piezo在膜上契合结构
Piezo在膜上受力展平结构
PIEZO1蛋白的机械力感知分子工作机制
通过比较PIEZO1在脂膜上弯曲和平展的两种结构，研究者们对PIEZO1感受膜张力后的动态构象变化、形变参数进行了定量分析，不仅验证了之前所提出的作用机制假说，并定量了PIEZO1的皮牛尺度的机械敏感性，进而建立了其曲率感知理论学说（图6）。
PIEZO1的受力形变
Piezo1在受力展平过程中，其末端有10nm的向下位移、所占膜面积扩张了nm2（图6）。
图6：PIEZO1-liposome从弯曲状到平展状的形变参数测量以及机械敏感性计算
团队供图
力的感知机制—曲率形变特性
Scheuring与Mackinnon团队合作通过原子力显微镜测得PIEZO1下压距离和所需力之间存在线性弹性关系y=7x+22[7]。引用该公式与自由能变化公式（图6），10nm的位移可得出PIEZO1弯曲和平展状态之间存在pN.nm的能量垒。而Nanobowl储存了高达nm2的膜面积，意味着只需1.9pN/nm的张力就能实现pN.nm做功，这与电生理测量值1.4pN/nm接近[10]。
力的传导机制—纳米杠杆原理
力从外周传递到中央孔道区。在展平过程中，胞内Beam长杆在接近中心孔道模块区形成kink，符合之前提出的该位点承担支点的功能推测（图7）。基于省力杠杆原理，Beam不仅具有力的传递与放大功能，且具有形变缓冲作用，使长臂末端3nm的形变缩小到短臂端1nm的形变，使其既能控制中央孔道区的门控，又不导致其过度的扩张，从而维持PIEZO通道的阳离子选择性通透能力。
图7：PIEZO1的纳米杠杆传递机制
团队供图
4.力的门控机制—帽子运动，跨膜疏水门打开
PIEZO1受力展平时，使得胞外帽子与桨叶之间的相互作用被打破，帽子发生顺时针旋转，下方的跨膜孔道区发生扩张。与PIEZO2（灰色）紧闭的跨膜区疏水门相比，PIEZO1展平状态的结构呈现10埃的扩张（图8）。
图8：PIEZO1的帽子-跨膜疏水门孔机制
团队供图
综上，研究者们总结出PIEZO通道的受力形变与门控机制（图9）：
1.在静息状态时，PIEZO1使脂膜发生弯曲，形成碗表面积为nm2、投影面积为nm2的纳米碗系统，PIEZO1与脂膜处于平衡。
2.膜张力改变时，平衡被打破，膜带动着PIEZO1蛋白一起展平。
3.展平的桨叶带动胞内侧的Beam发生杠杆运动，把形变传递到孔道区胞内侧，可能通过门闩-拴锁机制，打开三个侧向出口闸门（Lateralpluggate），让离子流入细胞。
4.展平的桨叶使其与帽子之间的相互作用被打破，帽子的旋转运动，加上桨叶的展平运动，共同使得孔道区上半段的疏水阀门打开，离子则由帽子下的空隙，侧向进入孔道。
图9：PIEZO1的受力形变与门控机制模式图
团队供图
总之，本研究首次实现了对机械力受体PIEZO1通道在脂膜上受力状态下的动态结构解析，揭示了其受力形变与脂膜曲率感知的特性，定量了其皮牛尺度的机械敏感性，建立了其曲率感知理论学说，从根本上解答了其将物理机械刺激转化成生物电信号这一PIEZO诺奖研究的未解之谜。
图10Piezo弯曲和受力展平的结构比较
团队供图
参考文献
[1]ZhaoQC,ZhouH,ChiSP,WangYF,WangJH,GengJ,etal.StructureandmechanogatingmechanismofthePiezolchannel.Nature.;():-+.
[2]WangL,ZhouH,ZhangMM,LiuWH,DengT,ZhaoQC,etal.StructureandmechanogatingofthemammaliantactilechannelPIEZO2.Nature.;():-+.
[3]GuoYSR,MacKinnonR.Structure-basedmembranedomemechanismforPiezomechanosensitivity.Elife.;6.
[4]SaotomeK,MurthySE,KefauverJM,WhitwamT,PatapoutianA,WardAB.StructureofthemechanicallyactivatedionchannelPiezol.Nature.;():-+.
[5]ZhaoQC,WuK,GengJ,ChiSP,WangYF,ZhiP,etal.IonPermeationandMechanotransductionMechanismsofMechanosensitivePiezoChannels.Neuron.;89(6):-63.
[6]GengJ,LiuWH,ZhouH,ZhangTX,WangL,ZhangMM,etal.APlug-and-LatchMechanismforGatingtheMechanosensitivePiezoChannel.Neuron.;(3):-+.
[7]LinYC,GuoYR,MiyagiA,LevringJ,MacKinnonR,ScheuringS.Force-inducedconformationalchangesinPIEZO1.Nature.;():-+.
[8]WangL,SigworthFJ.StructureoftheBKpotassiumchannelinalipidmembranefromelectroncryomicroscopy.Nature.;():-5.
[9]YaoX,FanX,YanN.Cryo-EManalysisofamembraneproteinembeddedintheliposome.ProcNatlAcadSciUSA.;(31):-.
[10]LewisAH,GrandlJ.MechanicalsensitivityofPiezo1ionchannelscanbetunedbycellularmembranetension.Elife.;4.
作者：肖百龙杨旭中
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：《猫和老鼠》
研究团队
通讯作者肖百龙：博士，清华大学药学院长聘教授，博士生导师；清华－北大生命科学联合中心、清华-IDG／麦戈文脑科学研究院、膜生物学国家重点实验室、高精尖结构生物学中心、生物结构前沿研究中心研究员；国家杰出青年科学基金获得者，国家高层次人才特殊支持计划入选者，科技创新-“脑科学与类脑研究”重大项目首席负责人。近年来致力于探究哺乳动物包括人类自身如何感知机械力这一生命科学本质问题，合作确立了PIEZO是哺乳动物中发现的首类机械门控阳离子通道，进而聚焦解答PIEZO通道如何将机械力刺激转化为电化学信号这一关键科学问题，并致力于开发相关的新型药物和生物技术，迄今取得了系列重要研究成果，其中多篇通讯作者论文被诺奖