Anoctamin-1 竟是线虫机械感觉 “幕后功臣”，或改写阴离子通道功能认知

为解决机械转导通道相关问题，浙江大学医学院研究人员开展关于 Anoctamin-1 在秀丽隐杆线虫中作用的研究，发现其是机械感觉阴离子通道复合物核心成分。该成果意义重大，强烈推荐科研读者阅读，助您深入了解机械转导机制。

　　

在生物的世界里，机械力转化为电信号是一个神奇且至关重要的过程，这一过程被称为机械转导（Mechanotransduction）。它参与了众多生理功能，像我们日常的触摸感知、聆听声音、感受疼痛，还有身体对血压的调节等等，都离不开它。在这个过程中，离子通道起着关键作用，它们就像是细胞的 “信号小卫士”，能把机械力转化为电信号。目前，科学家们已经发现了一些机械门控离子通道，比如 PIEZO 蛋白、TMC1 等，不过这些通道大多是阳离子选择性的，或者是非选择性阳离子通道，还带有一定的阴离子通透性。

在阴离子通道这个大家族里，氯化物通道超家族有着各种各样的功能，比如调节细胞体积、参与肌肉收缩、细胞凋亡和内吞作用等。要是氯化物通道出了问题，还会引发多种疾病，像囊性纤维化、肌强直和巴特综合征等。根据激活机制的不同，氯化物通道主要分为电压门控、配体门控和钙门控通道。虽然科学家们知道有一些氯化物通道与细胞的某些功能有关，可机械力能不能直接激活氯化物通道，它们在机械感觉中又有什么潜在功能，这些问题还是谜团。

而且，在哺乳动物系统中寻找新的机械转导通道是个巨大的挑战。就算有了像 CRISPR - Cas9 这样强大的基因编辑技术，可大规模的基因筛选还是很难开展。哺乳动物的机械感受器细胞本来就少，机械门控通道蛋白的表达量也低，再加上机械转导相关的蛋白常常形成复杂的蛋白复合物，想在异源系统中重建它们的功能，简直难如登天。就好比要在一堆打乱的拼图碎片里，找到特定的那几片，还得把它们准确无误地拼好，难度可想而知。

这个时候，秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）闪亮登场了。它生活在复杂的三维土壤环境里，每天都会受到各种外力，像土壤表面的张力、和周围土壤颗粒及其他生物的碰撞，还有自己运动产生的力。别看它小小的，身体里只有 302 个神经元，可其中有不少是感觉神经元，能感知这些外力。它对机械刺激会产生各种各样有趣的行为反应，比如鼻子碰到东西时的躲避反应、轻柔触摸和强烈触摸的不同反应，还有调节进食、交配行为等，甚至还能 “听到空气中的声音” 呢！秀丽隐杆线虫的这些特点，让它成为研究新的机械转导通道的理想模型生物。

为了揭开机械转导通道的神秘面纱，浙江大学医学院的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一篇名为 “Anoctamin - 1 is a core component of a mechanosensory anion channel complex in C. elegans” 的论文。他们发现，Anoctamin - 1（ANOH - 1），也就是哺乳动物钙激活氯离子通道 ANO1/TMEM16A 在秀丽隐杆线虫中的同源物，是机械感觉通道复合物的重要组成部分，在机械感觉中起着关键作用。而且，他们还发现 ANOH - 1 的机械感觉功能依赖于 CIB（calcium - and integrin - binding）蛋白和锚蛋白（ankyrin）。这一发现意义重大，揭示了一种在多细胞动物中参与机械感觉转导的进化保守氯离子通道，突出了阴离子通道在机械感觉过程中的重要性，为我们理解机械转导机制打开了新的大门。

研究人员为了开展这项研究，用到了好几个关键技术方法。他们运用了分子遗传学技术，通过对基因的操作和分析，来研究相关基因在机械感觉中的作用；利用电生理记录技术，记录细胞在受到刺激时产生的电信号变化，以此来探究离子通道的功能；还进行了钙成像实验，直观地观察细胞内钙离子浓度的变化，了解细胞的活动情况。这些技术就像研究人员手中的 “魔法工具”，帮助他们一步步揭开了 ANOH - 1 的神秘面纱。

下面我们来看看具体的研究结果。

ANOH - 1 是鼻子触摸诱发钙反应所必需的

雄性秀丽隐杆线虫在交配时，得依靠像多囊蛋白 - 2（PKD - 2）这样的蛋白来感知信息，找到雌性线虫并完成交配。之前的研究发现，机械刺激能让雄性线虫特定神经元里的钙离子增加。研究人员就好奇了，CEM 神经元能不能也被机械激活呢？他们用一种能指示钙离子变化的基因编码钙指示剂 GCaMP5 进行钙成像实验，发现给线虫鼻子 15μm 的机械刺激，能让 CEM 神经元产生强烈的钙瞬变。

为了搞清楚鼻子触摸触发的钙反应主要依赖阳离子还是阴离子，研究人员进行了一系列实验。他们把线虫头部的一部分角质层切开，然后把线虫分别放在无钠或无氯的浴液里，再进行钙成像。结果发现，无钠浴液不会让钙增加减少，可无氯浴液却能消除钙瞬变。用尼氟灭酸（NFA）抑制一些阴离子通道后，触摸诱发的钙瞬变也消失了。研究人员还筛选了氯化物转运体突变的线虫，发现钾 / 氯共转运体 KCC - 3 或阴离子碳酸氢盐转运体 ABTS - 3 缺失，都会降低 CEM 神经元对鼻子触摸的钙反应。这些结果表明，CEM 神经元对机械刺激很敏感，而且它的敏感性受氯离子调节。

接着，研究人员又筛选了已知的氯化物通道突变体，发现 ANOH - 1 和 BEST - 2 这两个蛋白有助于 CEM 神经元在鼻子触摸时钙增加。没有 ANOH - 1 时，CEM 神经元对鼻子触摸的钙瞬变会减少，但在 CEM 神经元中表达线虫 ANOH - 1 或人类 ANO1，就能恢复这种钙瞬变。这就像是给丢失了 “信号钥匙” 的细胞重新配上了合适的钥匙，让细胞又能正常 “工作” 了。

研究人员还发现，ANOH - 1 除了在 CEM 神经元表达，在 ASH 和 ASJ 感觉神经元也有表达。在 ASH 神经元中，虽然确认了 DEG - 1 这个 ENaC 通道对机械转导很重要，但 ANOH - 1 在鼻子触摸时，对 ASH 神经元的钙增加和机械感受器电流都没什么作用。而在 ASJ 神经元中，触觉刺激能让它产生明显的钙增加，可在 anoh - 1 突变体中，这种钙增加就消失了。不过，在 ASJ 神经元中表达线虫 ANOH - 1 或人类 ANO1，就能恢复钙缺陷。这说明在不同的神经元里，ANOH - 1 的作用可不一样呢。

另外，研究人员还做了个有趣的实验。他们把组胺门控氯离子通道 HisCl1 和钙指示剂 GCaMP 一起在 CEM 和 ASJ 神经元中表达。用组胺激活 HisCl1 后，发现这两种神经元里的钙离子都大幅增加。这表明氯离子外流让神经元去极化，激活了电压门控钙离子通道，从而提高了细胞内钙离子水平。而且，abts - 3 突变会破坏 CEM 神经元中组胺 - HisCl1 触发的钙反应，可 KCC - 3 缺失却不会影响，这说明 abts - 3 突变体中 CEM 神经元对鼻子触摸刺激的钙反应降低，可能是因为细胞内氯离子浓度改变了。

ANOH - 1 对机械感觉行为至关重要

研究人员用一种能杀死特定神经元的基因编码光敏剂 miniSOG 来研究 ANOH - 1 的生理作用。他们发现，正常的线虫在鼻子受到触摸刺激时会有躲避行为，可 osm - 9 突变体就没有。当把 CEM 神经元、主要伤害感受器 ASH 神经元或者两者都破坏掉时，线虫的鼻子触摸躲避反应也会有缺陷，这突出了 CEM 神经元在机械感觉中的重要性。而 anoh - 1 突变体的线虫，鼻子触摸躲避反应明显减少，但在 CEM 神经元中表达线虫 ANOH - 1 或人类 ANO1，就能挽救这种缺陷。这进一步证明了 ANOH - 1 参与了机械感觉，而且这种功能可能在进化中一直保留着。

研究人员还观察到，anoh - 1 突变体的线虫咽部泵送频率比正常线虫高，这说明 ANOH - 1 参与了咽部泵送和食物摄入的调节。不过，anoh - 1 突变体在雄性交配效率、产卵和运动能力方面都没有缺陷，这表明 CEM 神经元在交配行为中可能没有机械感觉作用，而且 anoh - 1 突变体中观察到的鼻子触摸行为缺陷和咽部泵送加速，不太可能是因为基础神经元活动的改变。

ANOH - 1 介导机械感受器电流（MRCs）

为了进一步验证 ANOH - 1 的机械感觉特性，研究人员想记录活体线虫的机械感受器电流（MRCs）。但成年雄性线虫身体太细长，很难暴露 CEM 神经元的胞体来记录。于是他们选择对雌雄同体线虫的 ASJ 神经元进行全细胞膜片钳记录。他们发现，用触摸探针朝线虫鼻尖 15μm 的位移刺激，能让 ASJ 神经元产生很强的瞬态电流，而且延迟时间很短，只有 3.35 ± 0.26ms。这说明负责这些反应的转导通道是直接由机械力门控的。

在 anoh - 1 突变体中，ASJ 神经元的 MRCs 消失了，但在 ASJ 神经元中表达线虫 ANOH - 1 或人类 ANO1，就能恢复这种电流，而表达人类 ANO6 却不行。而且，MRCs 不依赖细胞内外的钙离子，却能被 NFA 和一种 TMEM16A 特异性抑制剂 T16Ainh - A01 抑制。研究人员通过替换浴液或移液器溶液中的氯离子，发现 MRCs 的反转电位会随着氯离子浓度变化而改变，这进一步证实了 MRCs 是由氯离子介导的。他们还在分离的 ASJ 神经元中进行记录，得到了和活体记录一致的结果。不过，在 anoh - 1 突变体的 ASJ 神经元中，还是能观察到一些残留的 MRCs，这说明这些神经元里可能还表达了其他机械门控通道。

异位表达 ANOH - 1/ANO1 赋予机械不敏感神经元机械敏感性

头部神经元 ASK 和 ASI 是化学传感器，本来不能检测机械刺激。研究人员想看看，表达线虫 ANOH - 1 或人类 ANO1 能不能让它们变得对机械刺激敏感。结果发现，在 ASK 和 ASI 神经元中异位表达线虫 ANOH - 1 或人类 ANO1 后，鼻子触摸时都能记录到很强的 MRCs。这些 MRCs 和 ANOH - 1 介导的 ASJ 神经元中的 MRCs 一样，不依赖钙离子，能被 NFA 和 T16Ainh - A01 阻断，而且反转电位也依赖氯离子浓度。不过，在 ASK 神经元中异位表达 ANOH - 1 时，并没有观察到鼻子触摸诱发的钙增加，这可能是因为不同神经元内的氯离子浓度不一样。

K588 氨基酸残基对 ANOH - 1 的机械转导功能至关重要

研究人员通过系统发育分析，发现 ANOH - 1 蛋白在 TM5 - TM6 区域之间的带正电残基 K 和 R 在不同物种中高度保守，这些残基和氯离子通透性有关。他们制造了突变体线虫，把这些带正电的氨基酸变成带负电或不带电的。结果发现，当在 ASK 神经元中异位表达带有 K588E 或 K588A 突变的 ANOH - 1 时，就记录不到 MRCs 了。这说明 K588 这个氨基酸残基对 ANOH - 1 介导的机械转导非常重要。而且，在 anoh - 1 突变体背景下，表达野生型 ANOH - 1 或野生型人类 ANO1，能有效恢复 CEM 和 ASJ 神经元的触摸诱发反应，纠正鼻子触摸行为缺陷，而表达突变体 ANOH - 1 (K588A) 或 ANO1 (K645A) 就不行。

ANOH - 1/ANO1 的机械转导功能需要 CIB 蛋白

研究人员发现，虽然 ASH 神经元本身对机械刺激敏感，ANOH - 1 也在这些神经元中表达，但没有 ANOH - 1 时，ASH 神经元的机械诱发反应却不受影响。这表明可能需要辅助亚基来帮助 ANOH - 1/ANO1 发挥机械敏感功能。

通过有偏向性的遗传筛选，研究人员发现，携带 cam - 1（编码一种线虫 CIB 蛋白同源物）功能缺失突变的线虫，CEM 神经元的触摸诱发钙反应会减少，鼻子触摸反应也明显降低。但在 CEM 神经元中特异性恢复 CALM - 1 表达，就能挽救这些缺陷。在 calm - 1 突变体中，ASJ 神经元的触摸诱发钙增加和 MRCs 也会减少，在 ASJ 神经元中表达线虫 CALM - 1 或人类 CIB2，就能挽救这些缺陷，而表达人类 CIB3 却不行。

研究人员还发现，在 calm - 1 突变体的 ASK 神经元中表达 ANOH - 1/ANO1，不会产生可检测到的 MRCs，但同时表达 CALM - 1 和 ANOH - 1 或 ANO1 和 CIB2，ASK 神经元就能对鼻子触摸刺激做出反应。通过共免疫沉淀（Co - IP）实验，研究人员证实了 ANOH - 1（ANO1）和 CALM - 1（CIB2）之间存在直接相互作用。

此外，研究人员把线虫 ANOH - 1 或人类 ANO1 转染到 HEK - P1KO 细胞中，发现单独转染时记录不到 MRCs，同时转染辅助蛋白后还是检测不到 MRCs。不过在秀丽隐杆线虫 ASJ 神经元中，过表达的 ANOH - 1 和 hANO1 可能与膜标记物 mCD8 共定位。

综合这些研究结果，研究人员得出结论：ANOH - 1 与 CIB 和锚蛋白一起，是机械感觉通道复合物的重要组成部分，在机械感觉中发挥着关键作用。这一发现让我们对阴离子通道在活细胞结构中的功能机制，以及它们在机械转导中的作用有了更深入的了解。而且，研究还表明 ANOH - 1 在机械感觉中的作用可能在进化中是保守的，这意味着在哺乳动物中，ANO1 也许也在某些组织和细胞的机械转导过程中起着重要作用。这为后续研究哺乳动物的机械转导机制提供了重要线索，说不定未来能帮助我们更好地理解人类的感觉感知过程，甚至为相关疾病的治疗带来新的思路呢！