肖百龙课题组发表论文揭示机械门控Piezo通道在小鼠躯体感觉系统机械力感知中的重要功能

发布日期:2019-02-05

当不小心砸到手时,我们会下意识的轻轻吹吹伤口,就会带来疼痛的有效缓解。为什么会这样呢?清华大学药学院、IDG/麦戈文脑科学研究院、清华-北大生命联合中心肖百龙课题组的最新研究为此现象提供了解释。相关研究成果于 2019年2月5日以封面论文发表在Cell Reports期刊,论文题目为“机械门控Piezo通道介导小鼠的触碰而抑制其机械疼痛感知”(Mechanically activated Piezo channels mediate touch and suppress acute mechanical pain response in mice) 。

机械力感受是我们的躯体感觉系统中最为复杂精细的一类感知功能 。它使我们能够感受发丝拂动、轻压、轻捏、震动、牵张、愉悦性轻微触碰(譬如握手、亲吻)、疼痛性强力敲击等诸多形式的机械力刺激以维持机体正常功能乃至存活,也承担着人类能够熟练使用各种劳动工具和通信工具(譬如触摸屏手机)的生物学基础。而在组织损伤或炎症等病理情况下,机械力感受机制的异常可以导致长期慢性机械力超敏痛,严重影响个体健康与生活质量。譬如,癌症或关节炎病患者会经常遭遇类似穿衣服或行走等轻微机械力刺激所带来的严重疼痛。然而,哺乳动物机械力感知的分子细胞学基础尚未被全面解析。
 
哺乳动物通过特化的外周初级感觉神经元,譬如背根神经节(DRG)神经元,来感知各种不同形式的机械力。DRG神经元外周端分布于皮肤、肌肉以及内脏器官,并表达能快速响应机械力刺激而引起钙、钠等阳离子流进到细胞内的机械门控阳离子通道蛋白。这类通道作为机械力分子受体将机械力刺激转化为DRG神经元的电化学信号,最终在我们的大脑形成不同形式的机械力感知,包括非伤害性的轻微触觉、本体感知和内脏器官感知(譬如呼吸与血压)以及伤害性的机械疼痛感知(譬如被锤子砸到手)。
 
科学家们在60-80%的大鼠DRG神经元中能记录到机械敏感电流,并根据其电流失活快慢,将它们分成快速失活,中速失活和慢速失活的几种不同形式。有研究提出不同形式的机械敏感电流可能介导不同形式的机械力感知,认为快速失活电流介导轻微触碰,而中速或慢性失活的电流可能介导伤害性机械疼痛。科学家们致力于鉴定发现介导这些不同形式的机械敏感电流的机械门控阳离子通道并研究他们在不同形式机械力感知中的作用。
 
直到2010年,美国的Scripps研究所的Ardem Patapoutian博士课题组首次发现Piezo1和Piezo2作为哺乳动物机械门控阳离子通道的充分与必要组成部分,随后2012年肖百龙研究员以博士后的身份与其同事在Patapoutian实验室证明Piezo蛋白作为机械门控通道的核心孔道部分,从而确立了机械门控Piezo通道这类在哺乳动物中鉴定发现的首类机械门控阳离子通道家族。
 
后续的研究证明Piezo1和Piezo2通道有着非常重要的生理病理功能。Piezo1介导的电流显示中速失活的特征,主要表达在血管和淋巴管系统,参与血管及淋巴管发育、血压调控、以及红细胞体积调控。而Piezo2主要表达在初级感觉神经元并介导DRG神经元中快失活机械敏感电流,在躯体感觉系统中的机械力感知方面发挥着重要作用,包括在一些低阈值机械力敏感的DRG神经元和一类特化的Merkel皮肤细胞中参与轻微触碰感知,在支配肌梭和高尔基腱的神经元中参与本体感受,在支配肺的感觉神经元中控制着呼吸,在支配主动脉弓上的压力感受器中参与血压感知和心率调控。最近的研究显示Piezo2还介导病理情况下的机械力超敏痛,提示Piezo2可以作为抑制机械超敏痛的药物靶点。
 
肖百龙博士研究组致力于探究机械门控Piezo通道如何将机械力刺激转化为电化学信号,以及Piezo通道如何利用其机械敏感性和阳离子通道特性决定其生理病理功能,并于近年来取得了系列重要研究进展:

  • 2015年合作在《自然》期刊率先报道了Piezo1通道中等分辨率的冷冻电镜三维结构,揭示了其三叶螺旋桨状三维构造特征;
  • 2016年在《神经元》报道了Piezo1通道负责离子通透与选择性的孔道区模块以及负责机械力感受与传导的机械传感模块;
  • 2017年在《自然·通讯》报道Piezo通道的新型调控蛋白SERCA并阐明了其对Piezo通道活性调控的作用机;
  • 2018年合作在《自然》期刊报道 Piezo1通道的高分辨率三维结构,揭示了其参与机械力感受与传递的的结构基础及关键功能位点,进而首次提出了Piezo通道以类似杠杆作用原理进行机械门控的精巧工作机制;
  • 2018年在《自然·通讯》报道Piezo通道的小分子激动剂并揭示其作用机制。

 
在最新发表的这篇研究论文中,针对Piezo2 通道在急性机械疼痛中的作用不明确,以及其它形式的机械敏感电流是否如推测确实介导不同形式的机械力感受这两个问题,他们利用细胞特异性转基因小鼠和系列行为学实验,发现Piezo通道特异性介导轻微触碰和本体感知,而间接抑制机械疼痛。
 
 
当在一部分DRG神经元中敲除Piezo2,他们发现Piezo2敲除小鼠(图中Piezo2cKO组)出现轻微触碰和本体感受缺陷。这一实验结果和之前的报道一致,证实Piezo2通道确实承担哺乳动物触碰和本体感受器的功能。然而非常有意思的是,他们还发现Piezo2敲除小表现出机械疼痛增强的现象,提示Piezo2通道所介导的触碰感知可能间接抑制机械疼痛。
 
为进一步研究不同特性的机械敏感电流在DRG神经元中是否介导不同的机械力感觉,他们基于Piezo1通道的中速失活电流特性以及其在DRG神经元中缺乏内源性表达,构建了细胞特异性的Piezo1过表达小鼠。当在小鼠的DRG神经元中敲除Piezo2的同时,选择性过表达Piezo1(图中Piezo2cKO/Piezo1-TGAdv1组),他们发现敲除Piezo2所造成的小鼠在轻微触碰和本体感受方面的缺陷能够被Piezo1的过表达所恢复。这些实验结果说明Piezo1虽然有和Piezo2不同的通道特性,其能够替换Piezo2所介导的触碰和本体感知功能。
 
另外,他们发现在野生型小鼠DRG中特异性的过表达Piezo1(图中 Piezo1-TG组)能够增强小鼠的轻微触碰感受。出乎意料的是,Piezo1过表达小鼠的机械疼痛不但没有增强,相反是减弱了。这些实验结果说明具有中速失活的机械门控电流并不如之前所推测的能充分介导机械疼痛。
 
基于他们所发现的Piezo2通道能充分介导小鼠的轻微触碰和本体感知能力,而间接抑制机械疼痛,肖百龙博士认为开发Piezo2通道的激动剂有可能在增加轻微触碰所带来的愉悦的同时,而抑制疼痛感知。


 
       肖百龙博士为本文的通讯作者,清华大学生命学院PTN项目博士生张明敏为文章第一作者,已毕业博士生王燕峰,博士后耿洁和药学院本科生周姝琴也参与了该工作。本课题受到国家自然科学基金项目(31371118, 31825014, 31630090以及31422027),国家重点研发项目(2015CB0102以及2016YFA0500402),国家青年千人计划、清华-北大生命科学联合中心、生物膜国家重点实验室、以及清华大学IDG/麦戈文脑科学研究院的资助。

论文链接:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30085-3