Nature |?上海有機所用機械力激活OSCA/TMEM63發(fā)現一種全新“蛋白-磷脂”離子孔道
機械力信號在生活中無(wú)處不在，參與介導多種感知覺(jué)的形成，比如手指觸摸書(shū)本產(chǎn)生觸覺(jué)，聲波傳遞到耳內引起震動(dòng)產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。這些機械力信號的感知與傳導主要通過(guò)機械力敏感離子通道來(lái)完成。機械力信號能夠激活這些通道，從而允許離子通過(guò)，將機械力信號轉化為電化學(xué)信號，通過(guò)下游信號傳導介導多種重要的生理活動(dòng)。OSCA/TMEM63家族是目前已知的最大的一類(lèi)機械力敏感離子通道家族，在植物和動(dòng)物界中均承擔著(zhù)重要的生理功能，比如逆境響應、聽(tīng)覺(jué)、渴覺(jué)及濕度感知等1-5。然而，由于在結構解析的過(guò)程中模擬機械力環(huán)境非常困難，OSCA/TMEM63家族蛋白的機械力激活的分子機制尚不明確，是機械力通道研究領(lǐng)域的一大技術(shù)難點(diǎn)。
2024年4月3日，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心、生命過(guò)程小分子調控全國重點(diǎn)實(shí)驗室張一小課題組聯(lián)合澳大利亞Vitor Chang心臟研究所Charles Cox課題組以及澳大利亞國立大學(xué)Ben Corry課題組在Nature上發(fā)表了題為Mechanical activation opens a lipid-lined pore in OSCA ion channels的文章。研究團隊通過(guò)將OSCA蛋白組裝到納米磷脂盤(pán)及脂質(zhì)體中模擬機械力環(huán)境，捕捉到了OSCA蛋白激活態(tài)的三維構象，闡釋了其機械力激活的分子機制，并發(fā)現了一種全新的有磷脂排列的離子孔道組成形式（圖1），為機械力通道的研究提供了全新的范式，也為機械力感知異常相關(guān)藥物研發(fā)提供了理論和結構基礎。
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圖1. OSCA受機械力激活動(dòng)態(tài)變化過(guò)程
本文的主要亮點(diǎn)包括：
1.通過(guò)多種不同的策略來(lái)捕捉OSCA蛋白激活態(tài)的三維構象；（圖2）
2. 利用納米磷脂盤(pán)發(fā)展了一種簡(jiǎn)單易用的“l(fā)ipid titration”機械力模擬方法來(lái)進(jìn)行“force-resolved” 的結構研究；
3. 實(shí)現了分子量小于200kDa的膜蛋白在脂質(zhì)體中的高分辨三維結構解析；
4. 揭示了不同磷脂在OSCA機械力感知過(guò)程中的重要作用；
5. 發(fā)現細胞膜中的磷脂可以通過(guò)其headgroup形成“l(fā)ipid wall”來(lái)參與離子孔道的組成；
6. 對結構相似的TMC1及TMEM16家族蛋白的分子機制研究有很大的啟發(fā)。
在本文的研究中，作者首先嘗試將OSCA1.2蛋白組裝在納米磷脂盤(pán)中（nanodiscs，由膜支架蛋白圍成的磷脂雙分子層小圓盤(pán)）并使用β-環(huán)糊精抽提其中的脂質(zhì)來(lái)引起剩余脂質(zhì)的擴張，進(jìn)而在蛋白周?chē)a(chǎn)生拉力環(huán)境。在冷凍電鏡的結構解析過(guò)程中，作者發(fā)現蛋白顆粒高度動(dòng)態(tài)，雖然能夠觀(guān)察到與關(guān)閉狀態(tài)不同的構象變化，但是難以獲取清晰的高分辨率三維結構，推測是與環(huán)糊精從每個(gè)nanodisc中抽取出來(lái)的脂質(zhì)含量不同有關(guān)。此時(shí)，作者猜想， 如果從一開(kāi)始組裝nanodiscs的時(shí)候，就用不同量的磷脂來(lái)組裝，這樣更容易控制每個(gè)nanodisc中磷脂的含量，從而可能調節蛋白周?chē)Φ拇笮?。通過(guò)這種“l(fā)ipid titration”的方法，作者對蛋白構象變化進(jìn)行了“滴定”，捕捉到了OSCA1.2單側激活的構象。但是在這個(gè)結構中，有兩根跨膜螺旋密度缺失，并且離子孔道面向細胞膜有很大的開(kāi)口，因此無(wú)法確認離子通過(guò)路徑。接下來(lái)，作者通過(guò)電生理實(shí)驗驗證了曲率變化可以激活OSCA蛋白，而在之前的研究中，肖百龍教授團隊成功的用脂質(zhì)體與蛋白之間的曲率錯配來(lái)捕捉Piezo1蛋白在激活態(tài)的三維結構，提示了脂質(zhì)體可以用于其他機械力通道的研究6。但是OSCA蛋白總分子量只有175kDa，并且大部分包埋在細胞膜當中，給結構解析帶來(lái)了很大困難。作者通過(guò)樣品的優(yōu)化，成功將OSCA1.2組裝到大小較為均一的脂質(zhì)體中，并在inside-in的取向中捕捉到了OSCA蛋白完全激活的高分辨三維結構。通過(guò)結構分析和電生理實(shí)驗，揭示了OSCA蛋白機械力感知的關(guān)鍵元件，以及發(fā)現二聚化對于穩定OSCA蛋白的激活狀態(tài)十分重要?？墒窃诖碎_(kāi)放構象中，雖然所有的跨膜螺旋都被清晰的解析，但離子孔道仍舊向細胞膜側有較大的開(kāi)口。有意思的是，在電鏡密度圖中作者發(fā)現該開(kāi)口剛好被一段由細胞膜磷脂組成的lipid wall所覆蓋。結合分子動(dòng)力學(xué)模擬和電子密度特征，作者發(fā)現該lipid wall主要由磷脂的head group構成，而電生理實(shí)驗也發(fā)現改變head group的電性特征，會(huì )影響OSCA1.2的離子選擇性，進(jìn)一步支持這一全新的“proteo-lipidic pore”。同時(shí)，作者還在OSCA3.1蛋白中發(fā)現了多個(gè)穩定結合的lipids，結構研究和電生理實(shí)驗均發(fā)現通過(guò)突變移除一個(gè)interlocking lipid能夠引起OSCA3.1的自發(fā)開(kāi)放，提示了磷脂在機械力感知過(guò)程中的重要作用。
圖2. 通過(guò)不同的策略捕捉OSCA蛋白激活態(tài)的三維構象并發(fā)現新的離子孔道組成形式
總的來(lái)說(shuō)，本篇文章中作者通過(guò)多種策略模擬機械力環(huán)境，結合冷凍電鏡、電生理、分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，首次揭示了OSCA/TMEM63家族蛋白在機械力激活狀態(tài)下一種全新的“蛋白-磷脂”離子孔道組成形式。由于OSCA/TMEM63家族蛋白與介導聽(tīng)覺(jué)形成的TMC1機械力敏感通道及具有離子通道和脂質(zhì)翻轉酶活性的TMEM16家族蛋白在結構上具有高度相似性，該研究也對這些結構相似家族蛋白的分子機制有很大的啟發(fā)。此外，該研究發(fā)展了新的基于nanodiscs的機械力環(huán)境模擬方法，同時(shí)擴展了小膜蛋白在脂質(zhì)體中進(jìn)行結構解析的可行性，為包括機械力通道在內的其他膜蛋白研究提供了新的思路。
中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生韓瑤瑤，澳大利亞Victor Chang心臟研究所博士后周子晶與澳大利亞國立大學(xué)博士后金瑞濤為本文共同第一作者。張一小研究員，Charles Cox教授與Ben Corry教授為本文共同通訊作者。上?？萍即髮W(xué)孫亞?wèn)|研究員，浙江大學(xué)楊巍教授、岳曉敏研究員，上海有機所生物與化學(xué)交叉中心陳忠文研究員以及本文其他作者也對做出了重要貢獻。該工作得到了科技部科技創(chuàng )新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目、國家自然科學(xué)基金海外優(yōu)青項目、中國科學(xué)院上海分院青年英才培育計劃、上海腦中心求索杰出青年項目及上海市科委的資助。
張一小研究員長(cháng)期招聘細胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和結構生物學(xué)方向博士后和科研助理，歡迎申請。對于優(yōu)秀的博士后人選，將推薦申請中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心 “博士后獨立PI培育”計劃 （https://www.ircbc.ac.cn/view.do?id=2747）。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07256-9
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