清華大學生命學院梁鑫課題組在《美國科學院院刊》上發(fā)文報道果蠅機械力信號轉(zhuǎn)導新機制
2019年3月28日，清華大學生命學院梁鑫課題組在《美國科學院院刊》（PNAS）發(fā)表了題為“果蠅機械力感受器中NompC的超微結(jié)構(gòu)”（Ultrastructural Organization of NompC in the Mechanoreceptive Organelle of Drosophila Campaniform Mechanoreceptors）的研究論文。該論文在組織細胞原位重建了果蠅機械力敏感神經(jīng)元中“力感受器”整體的精細三維結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合遺傳學，活細胞成像，定點激光消融技術(shù)和力學建模解析了力敏感離子通道NompC的空間分布和力學狀態(tài)，揭示了該類神經(jīng)元激活的機制及其分子基礎(chǔ)。
機械力信號轉(zhuǎn)導是感受神經(jīng)元將胞外機械力轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號（例如膜電位變化）的過程。這一“力-電”信號轉(zhuǎn)換過程通常在特化的細胞器，即“力感受器”內(nèi)實現(xiàn)。因此，解析力感受器的分子組成，超微結(jié)構(gòu)及力學基礎(chǔ)是理解力信號轉(zhuǎn)導過程的關(guān)鍵。本論文利用基于電子斷層成像的三維重建技術(shù)，解析了力感受器的整體三維結(jié)構(gòu)。在該三維結(jié)構(gòu)中，研究人員發(fā)現(xiàn)NompC（即力敏感離子通道）在細胞膜上形成了有序的二維陣列。結(jié)構(gòu)和力學實驗分析表明，盡管由NompC離子通道形成的二維陣列只有數(shù)百納米的大小，但它們卻在空間分布和受力程度上形成了令人驚嘆的梯度變化。進一步的理論分析顯示，該類神經(jīng)元利用特殊的支撐結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒈砥さ那首兓D(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜诹Ω惺芷鞯?ldquo;旋轉(zhuǎn)力”，這一精妙的轉(zhuǎn)換使得力感受器膜上的力沿著“近端-遠端”軸向形成梯度。這一力信號的分布梯度恰好和二維陣列中力敏感離子通道的空間分布及所受預應(yīng)力狀態(tài)吻合。這樣的結(jié)構(gòu)力學設(shè)計不僅能夠提高力感受器的敏感性，也能拓展其在信號響應(yīng)中的動態(tài)范圍，從而提示了高度有序的分子架構(gòu)對于細胞器整體功能的優(yōu)化。這一工作提出了力信號轉(zhuǎn)導的新機制，同時也為進一步探索相關(guān)細胞生物學過程的分子基礎(chǔ)和力學原理奠定了基礎(chǔ)。
清華大學生命學院助理教授梁鑫為本文的通訊作者，清華大學生命學院博士后孫蘭弟為文章第一作者。論文中力學分析和建模部分的工作得到了清華大學航空航天學院生物力學與醫(yī)學工程研究所馮西橋教授和李博副教授的大力支持。本課題受到了科技部重點研發(fā)項目，國家自然科學基金委，德國馬普學會伙伴小組和清華-北大生命科學聯(lián)合中心的資助。
原文閱讀：https://www.pnas.org/content/pnas/early/2019/03/26/1819371116.full.pdf
關(guān)于梁鑫：http://life.tsinghua.edu.cn/publish/smkx/11230/2018/20180102022217837709581/20180102022217837709581_.html
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