來自威爾康奈爾醫(yī)學和洛克菲勒大學的研究人員表示，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了壓電蛋白的基本機制，它可以作為體內(nèi)傳感器，用于機械刺激，如觸覺，膀胱充盈和血壓?？茖W家表示，這一發(fā)現(xiàn)為壓電蛋白在人類疾病中的作用和潛在的新治療策略開辟了許多新的研究途徑。

在這項研究中(“ 強制誘導PIEZO1構(gòu)象變化 ”)，發(fā)表于自然，球隊在休息和機械力的應用過程中采用先進的顯微技術(shù)，圖像Piezo1蛋白。他們證實了這種復雜蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并且基本上顯示了它如何將機械刺激轉(zhuǎn)化為電信號。

“Piezo1是一種機械敏感通道，可將施加的力轉(zhuǎn)換為電信號。部分分子結(jié)構(gòu)顯示Piezo1是一個帶有伸展臂的碗形三聚體。在這里，我們使用低溫電子顯微鏡來顯示Piezo1在不同大小的脂質(zhì)囊泡中采用不同的曲率。我們還使用高速原子力顯微鏡來分析Piezo1在云母表面膜上受力的變形性，并表明Piezo1可以可逆地平坦化到膜平面內(nèi)，“研究人員寫道。

通過近似所施加的絕對力，我們估算了Piezo1的機械彈簧常數(shù)的一系列值。兩種顯微鏡方法都證明Piezo1可以使其形狀朝向平面結(jié)構(gòu)變形。這種變形可以解釋橫向膜張力如何轉(zhuǎn)化為自由能的構(gòu)象依賴性變化，以響應機械擾動來控制Piezo1通道。

“我們的分析顯示，Piezo1嵌入細胞膜的張力可以使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變平并擴大，”Weill Cornell Medicine麻醉生理學和生物物理學教授，共同資深作者Simon Scheuring博士說。Scheuring和他的實驗室與洛克菲勒大學分子神經(jīng)生物學和生物物理學教授Roderick MacKinnon博士的實驗室合作進行了這項研究。MacKinnon是2003年諾貝爾化學獎的共同獲獎?wù)撸驗樗墓ぷ鳑Q定了離子通道蛋白的結(jié)構(gòu)和機制。

Piezo1和Piezo2是具有獨特結(jié)構(gòu)的大而復雜的蛋白質(zhì)。它們嵌入某些細胞類型的膜內(nèi)，其功能是將細胞上的機械力轉(zhuǎn)換成改變細胞活性的電信號。

Piezo1蛋白質(zhì)例如在膀胱細胞中起作用以檢測膀胱何時充滿，并且在血管內(nèi)襯細胞中檢測并幫助調(diào)節(jié)血壓的變化。Piezo2蛋白在皮膚和關(guān)節(jié)的感覺神經(jīng)末梢中起作用，有助于調(diào)節(jié)觸覺，疼痛和本體感覺的感覺 - 一種肢體如何排列的感覺。

近年來，成像技術(shù)的進步使得科學家們能夠確定Piezo1的基本結(jié)構(gòu)，Piezo2被認為是Piezo2最常分享的結(jié)構(gòu)。從上面看，這種結(jié)構(gòu)具有三臂，螺旋槳或三角形外觀。

從側(cè)面看，它看起來像一個嵌入細胞膜的淺碗，其中心有一個離子通道。后者在打開時允許鈣和其他帶正電荷的離子流入細胞。

機械力打開離子通道的基本機制仍然是神秘的。但是在新的研究中，Scheuring，MacKinnon和他們的同事，包括麻醉學博士后副主編Yi-Chih Lin博士，能夠更清楚地了解它的工作原理。

他們將低溫電子顯微鏡與一種名為高速原子力顯微鏡的不太知名的技術(shù)相結(jié)合，該技術(shù)基本上通過用超靈敏機械探針感覺其表面來產(chǎn)生物體的圖像。他們用這些方法表明，Piezo1是一種彈性結(jié)構(gòu)，通常會使細胞膜在其所處的位置彎曲，但在例如對細胞膜施加機械力時會變平。

“當膜張力增加時，Piezo1的結(jié)構(gòu)變平并伸展，占據(jù)更大的區(qū)域，從而打開離子通道，”Scheuring說。

他注意到其他可能會使Piezo1結(jié)構(gòu)拉伸和變平的刺激，例如從內(nèi)部或在外部區(qū)域上從細胞外部稱為CED的拉力，原則上可以打開離子通道，使其成為可能。適用于各種細胞類型和生理功能的適用多功能機制。

此外，鑒于這種廣泛的細胞類型，在包括肺，膀胱，腸和胰腺的器官，以及血管和感覺神經(jīng)系統(tǒng)，基本的壓電蛋白機制的發(fā)現(xiàn)可能導致新的方式了解和治療許多人類疾病。

Scheuring說，如果襯里血管細胞膜含有過量的膽固醇，它們會變硬，增加嵌入的Piezo1蛋白的背景張力，并可能破壞這些蛋白質(zhì)檢測和幫助調(diào)節(jié)血壓的正常能力。

“我們的發(fā)現(xiàn)導致了很多關(guān)于Piezo蛋白在疾病中的作用的預測，我們和其他人現(xiàn)在可以去研究，”他指出。