陳雷和宋晨研究組及合作者在《自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》雜志報(bào)道機(jī)械力敏感OSCA通道的結(jié)構(gòu)及機(jī)制研究閱讀次數(shù)：
陳雷和宋晨研究組及合作者在《自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》雜志報(bào)道機(jī)械力敏感OSCA通道的結(jié)構(gòu)及機(jī)制研究
2018年9月6日，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所陳雷研究組與定量生物學(xué)中心宋晨研究組及合作者在《自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》雜志發(fā)表題為 《對機(jī)械力敏感的OSCA通道的結(jié)構(gòu)》的論文。 鏈接：https://www.nature.com/articles/s41594-018-0117-6。該項(xiàng)研究鑒定并解析了機(jī)械力敏感的非選擇性離子通道OSCA高分辨率（3.5Å）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了OSCA通道的組裝模式，并通過突變體的電生理研究及分子動(dòng)力學(xué)模擬，推測了該通道可能的工作機(jī)制。
機(jī)械力是一種能夠被生物體感知的、重要的物理信號(hào)。常見的機(jī)械力感受過程包括聽覺和對觸摸的感知等等。生物體是通過各種機(jī)械力感受器來感受機(jī)械力的。機(jī)械力敏感的離子通道（mechanosensitive ion channel）就是一種在所有生命體內(nèi)都存在的重要的機(jī)械力感受器，它們可以把機(jī)械力這種物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而進(jìn)行傳遞及引發(fā)下游生理反應(yīng)。根據(jù)機(jī)械力的感受機(jī)制，人們把這些離子通道分為兩大類：感受膜傳遞的機(jī)械力（比如Piezo，K2P，MscL等）及感受細(xì)胞骨架傳遞的機(jī)械力（比如NOMPC）。有些機(jī)械力敏感的離子通道和滲透壓感受及應(yīng)激相關(guān)，比如細(xì)菌中的MscL等通道。在2014年，兩個(gè)研究組獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)擬南芥中的OSCA1.1及OSCA1.2通道與植物滲透壓的感受相關(guān)，并且記錄到了高滲引起的全細(xì)胞電流和鈣內(nèi)流。本項(xiàng)研究正是在該基礎(chǔ)上開展的。
本項(xiàng)研究的作者們首先發(fā)現(xiàn)高滲引起的OSCA1.1全細(xì)胞電流很小，不便于重復(fù)刺激和長時(shí)記錄，進(jìn)而嘗試用負(fù)壓激活的方式來刺激通道。幸運(yùn)的是，作者們發(fā)現(xiàn)在inside-out膜片鉗記錄電極內(nèi)施加負(fù)壓可以獲得較大的，穩(wěn)定的OSCA1.1依賴的電流。進(jìn)一步的，為了研究OSCA感受機(jī)械力的模式，作者首先用可以抑制NOMPC電流的微管多聚抑制劑來處理inside-out記錄膜片，發(fā)現(xiàn)電流變化不大。相比之下，加入錐形磷脂Lyso-PC則能夠有效地使通道易于開放，進(jìn)而證明了該離子通道是通過感受膜傳遞的機(jī)械力而激活的。作者們隨后通過冷凍電鏡的方法解析了該通道在3.5Å的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)清晰的顯示了OSCA1.1通道是個(gè)同源二聚體，每個(gè)亞基有11個(gè)跨膜螺旋。令人驚訝的是該通道M1-M10跨膜螺旋的結(jié)構(gòu)與TMEM16家族蛋白的結(jié)構(gòu)很相似，但沒有序列同源性。TMEM16家族成員包括了著名的鈣離子激活的氯離子通道（TMEM16A）及鈣離子激活的磷脂翻轉(zhuǎn)酶（TMEM16F）等。但在TMEM16家族中保守的鈣結(jié)合位點(diǎn)在OSCA中并不保守。OSCA通道的電子密度顯示，每個(gè)單體亞基內(nèi)有一個(gè)凹陷，而該凹陷的位置正好對應(yīng)于TMEM16A通道的孔道區(qū)的位置。作者進(jìn)一步通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)在有機(jī)械力刺激的條件下，該區(qū)域有變大的構(gòu)象變化。據(jù)此，作者們推測了OSCA孔道區(qū)的位置。隨后，作者篩選到了兩個(gè)位于該區(qū)域的OSCA突變體可以改變單通道電導(dǎo)， 進(jìn)一步驗(yàn)證了對孔道區(qū)位置猜測的正確性。此外，作者們又鑒定了擬南芥中的OSCA3.1蛋白是一種可以感受更高壓力范圍的機(jī)械力敏感的離子通道，并解析了其分辨率為4.8Å的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)和OSCA1.1 通道的結(jié)構(gòu)極為相似。通過序列比對及突變體功能分析，作者們發(fā)現(xiàn)了OSCA3.1與OSCA1.1在M0上的兩個(gè)不同的氨基酸可能與其感受不同的壓力范圍有關(guān)。最后，作者們通過與TMEM16A通道不同門控狀態(tài)下結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較及突變體的電生理記錄結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了M6螺旋可能在OSCA響應(yīng)機(jī)械力而開放的過程中發(fā)生了與TMEM16A相似的構(gòu)象變化。從而，作者們提出了該新型機(jī)械力敏感的離子通道的工作機(jī)制模型。
OSCA隸屬于TMEM63家族，該家族廣泛分布于真菌、植物、動(dòng)物及人體。OSCA通道機(jī)械力敏感性質(zhì)的鑒定對于進(jìn)一步研究TMEM63家族蛋白的功能具有重要意義。此外，由于聽覺相關(guān)的TMC通道與TMEM16A通道結(jié)構(gòu)有相似性，OSCA通道結(jié)構(gòu)與功能研究對于TMC通道的進(jìn)一步研究有促進(jìn)意義。
北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所陳雷、北京大學(xué)定量生物學(xué)中心宋晨和復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院閆志強(qiáng) 為本文共同通訊作者，原陳雷實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)員章明鋒為本文第一作者，王大力、康云路、吳驚香、姚富強(qiáng)和潘成芳參與了此項(xiàng)工作。 該工作冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集在上海國家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施及北京大學(xué)電鏡室完成，數(shù)據(jù)處理獲得了北京大學(xué)CLS計(jì)算平臺(tái)及未名超算平臺(tái)的支持。此外，生物物理所冷凍電鏡平臺(tái)在前期的工作中給予一定支持。本工作獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、生命科學(xué)聯(lián)合中心、中國博士后基金的經(jīng)費(fèi)支持。作者吳驚香先后獲得了CLS博士后和博雅博士后獎(jiǎng)學(xué)金的支持。首都醫(yī)科大學(xué)張晨教授在該工作初期提供了電生理實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件支持，北京大學(xué)鐘上威研究員提供了擬南芥的全cDNA，賓夕法尼亞州Ren Dejian教授提供了TPC基因作為分子量對照。
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