《自然》期刊以長文形式在線 發表 了清華大學肖百龍、李雪明課題組題為《Piezo1 離子通道的結構與機械門控機制》(Structure and Mechanogating Mechanism of the Piezo1 Channel)的研究論文，他們解析了哺乳動物機械門控 Piezo1 離子通道的高分辨率三維結構，揭示了其參與機械力感受與傳遞的關鍵功能位點，進而首次提出了 Piezo 通道以類似杠桿原理進行機械門控的精巧工作機制。該研究對理解生物機體如何將機械力刺激轉化為電化學信號這一基本生命過程具有重要意義。
機械門控陽離子通道是一類能夠響應機械力刺激而引起陽離子進出細胞、進而誘發細胞興奮和信號傳遞的一類重要離子通道，然而其在哺乳動物中的分子組成長期未被發現確定。直到 2010 年，Piezo 基因家族包括 Piezo1 和 Piezo2 兩個基因被編碼該類通道的必要組成成分 (Coste et al., Science 2010)。
隨后于 2012 年，肖百龍博士與其同事合作在《自然》期刊報道 Piezo 蛋白構成機械門控通道的孔道組成成分，從而首次確立了 Piezo 通道這一全新機械門控離子通道家族。該論文被湯森路透收錄為高被引論文。
Piezo 通道作為機械力受體能夠被擠壓、牽張以及流體剪切力等不同形式的機械力所激活。 表達在血管內皮細胞中的 Piezo1 被證實作為剪切力受體感知血流，從而控制血管發育以及進行血壓調節，而表達在感覺神經細胞中的 Piezo1 被證實承擔觸碰及本體感知分子受體的功能。Piezo1 基因人類遺傳突變引起干癟紅細胞增多癥、淋巴管發育不良癥；而 Piezo2 基因突變導致遠端關節彎曲綜合癥及觸碰感知缺陷。因此，Piezo 通道具有非常重要的生理、病理功能，也是重要的藥物靶點。
肖百龍博士課題組致力于對 Piezo 通道進行深入系統研究并取得了系列重要研究進展。2015 年，肖百龍課題組合作在《自然》期刊率先報道了 Piezo1 通道中等分辨率的冷凍電鏡三維結構，揭示了其三葉螺旋槳狀三維構造特征。2016 年，在神經科學頂級期刊《神經元》(Neuron) 報道了 Piezo1 通道負責離子通透與選擇性的孔道區模塊以及負責機械力感受與傳導的機械傳感模塊。2017 年，在《自然·通訊》報道 Piezo 通道的新型調控蛋白 SERCA 并闡明了其對 Piezo 通道活性調控的作用機制。 然而，Piezo 通道的高分辨率三維結構以及其如何感知機械力并精準控制陽離子特異性通透的分子機制尚不清楚。
在最新的這篇《自然》論文中，他們首先結合蛋白表達純化、單顆粒冷凍電鏡及三維重構技術，經過兩年多的不懈努力，克服 Piezo1 通道三維結構的不穩定性，最終成功解析出其高分辨率結構，揭示了其獨特而精巧的構造特征以及關鍵結構域的氨基酸組成。Piezo1 通道整體呈現三聚體三葉螺旋槳狀結構 (圖 a)，其中心為控制離子通透的孔道部分，包含“帽子”結構域（Cap）、IH 與 OH 組成的跨膜孔道以及胞內羧基端部分（CTD）所組成的三個側向離子出口（portals）(圖 d)；而其外周特征性結構域包括“槳葉”（blade）、“長桿”（beam）以及“錨定區”（anchor）(圖 a -c)。 非常有意思的是，他們發現其槳葉部分卻由共 9 個重復性的、以 4 次跨膜區為基礎的結構單
元串聯而成，并把這一特征性的結構域以清華大學的英文縮寫命名為 THU (Transmembrane Helical Unit)。據此，Piezo1 蛋白以每個亞基包含 38 次跨膜區、總計 114 次跨膜區的形式組裝成目前已知的跨膜次數最多的一類膜蛋白復合物 (圖 b -c)。而且，不同于其它離子通道類型，Piezo1 通道的跨膜區以大曲度、而非平面形式存在。他們認為這可能是 Piezo 通道能有效感知細胞膜張力變化的重要結構基礎之一。
3 根長約 90 ?的長桿結構將遠端槳葉區連接到中心孔道區部分 (圖 b -c)。通過對所獲得的結構數據進行進一步的三維分類比較分析，他們發現外周槳葉及 beam 的遠端部分存在劇烈的構像變化，而中心孔道區及 beam 的中心端部分只顯示輕微的位移變化。Piezo1 結構的構象變化契合杠桿作用原理。因此，他們提出了 Piezo1 通道以外周 THU 作為機械力感受器、而 beam 作為機械傳遞裝置，從而完成其精細機械力感知與傳遞的機械門控機制假說。
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a，Piezo1 通道的三聚體冷凍電鏡示意圖；
b，由 38 次跨膜區組成的 Piezo1 拓撲結構示意圖；
c，Piezo1 一個亞基細節組成展示圖；
d, Piezo1 成孔區的組成。參與機械力激活 Piezo1 的胞外 loop 區以及位于 beam 上的 L1342 與 L1345 位點顯示在 b 及 c 圖。
為了從功能上驗證這一假說，利用生化和電生理實驗，他們鑒定發現遠端 THU 胞外區以及位于 beam 上靠近中心端的兩個氨基酸 L1342/L1345 對于 Piezo1 通道的機械力激活非常重要。據此，他們首次提出 beam 可能形成以 L1342/L1345 為支點的杠桿結構 (圖 b -c)，將位于其長臂端的漿葉區大的構象變化轉化成位于其短臂端的中心孔道區的相對細微構象變化，從而在進行機械力的傳遞和放大的同時，保證中心孔道陽離子的特異性通透。三套精細的杠桿傳遞裝置進一步組裝成一個復雜而有序的三聚體螺旋槳狀結構來行駛其機械門控通道的功能。
肖百龍博士表示以上研究進展為下一步深入理解遺傳突變如何導致 Piezo 通道功能失常并引起人類疾病、藥物篩選與技術開發提供了重要線索。
生命中心 PI 肖百龍和李雪明為本論文共同通訊作者。肖百龍課題組 2012 級生命中心博士生趙前程、2015 級生科院博士生周珩、2016 級藥學院博士生池少鵬以及 2013 級生命中心博士生王燕峰為本文并列第一作者。北京生命科學研究中心董夢秋博士及其課題組的博士生王建華，清華大學王佳偉研究員以及肖百龍課題組的耿潔、吳坤、劉文豪、張廷鑫也參與了部分研究工作。本研究得到了國家自然科學基金委以及科技部 (31630090, 2016YFA0500402, 31422027, 31371118, 2015CB910102, 31570730, 2016YFA0501102, 2016YFA0501902, 21375010)、生命科學聯合中心和北京結構生物學高精尖創新中心的資助。該研究同時也得到了清華大學冷凍電鏡平臺、清華大學高性能計算平臺以及國家蛋白質設施實驗技術中心(北京) 的支持。生命中心 PI 顏寧在論文投稿過程中提供了重要幫助。