清华大学药学院肖百龙团队与北京大学深圳医院欧阳昆富团队合作在《神经元》发文揭示机械力受体Piezo1的磷酸化调控及其生理学功能

　　

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清华大学药学院肖百龙团队与北京大学深圳医院欧阳昆富团队合作在《神经元》发文揭示机械力受体Piezo1的磷酸化调控及其生理学功能

2024年9月12日，清华大学药学院肖百龙教授课题组在神经科学领域权威学术期刊《神经元》（Neuron）杂志上在线刊登了题为《Piezo1的1612位丝氨酸磷酸化调控其机械敏感性和体内机械传导功能》（Phosphorylation of Piezo1 at a single residue, serine-1612, regulates its mechanosensitivity and in vivo mechanotransduction function）的研究论文，鉴定发现了机械门控Piezo1离子通道中1612位丝氨酸（S1612）为响应蛋白激酶PKA和PKC的磷酸化位点，揭示了磷酸化对Piezo1的机械敏感性的关键调节作用以及对血压和运动耐力等生理活动的重要影响。该研究成果不仅丰富了对Piezo1调节机制的理解，也为Piezo1在血管功能调节中的潜在应用和相关疾病的治疗策略开发奠定了基础。

 

Piezo蛋白是一类重要的机械门控阳离子通道，其能快速响应机械力刺激，介导阳离子流入细胞，从而触发细胞兴奋和信号转导。在哺乳动物中，Piezo蛋白家族成员Piezo1和Piezo2广泛参与各种机械传导相关活动，如触觉感受、血压调节等。同时，Piezo基因的遗传突变与多种人类遗传疾病相关，如淋巴管水肿、红细胞干瘪综合症、触觉缺失症等。磷酸化调控作为常见的转录后修饰广泛参与各种细胞信号通路，调节不同蛋白的活性；然而，关于Piezo蛋白如何通过磷酸化来调节其机械敏感性和生理功能的具体机制仍不清楚。

 

S1612磷酸化位点的鉴定以及S1612磷酸化对Piezo1介导机械激活电流的调控和生理学功能影响示意图

 

 

 

在本研究中，研究人员首先探究了蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）对Piezo1的调控。发现PKA激动剂8-Br-cAMP能够显著增强Piezo1通道的机械激活电流（图B）。进一步研究发现, PKA通过增强Piezo1的机械敏感性和延长通道开放时间来提高其功能，而并未影响通道蛋白在细胞膜上的数量。

利用体外磷酸化反应、蛋白质质谱分析、位点特异性磷酸化抗体制备、磷酸化位点突变并结合膜片钳电生理分析，研究人员鉴定出S1612是PKA磷酸化Piezo1的主要位点，其可以直接增强Piezo1通道的单通道开放概率来影响其机械激活电流（图A-C）。这一磷酸化位点的鉴定证实了PKA对Piezo1通道活性的直接调控作用，揭示了其增强机械敏感性和延缓失活的分子机制。

研究人员还发现S1612同时也是蛋白激酶C（protein kinase C, PKC）的磷酸化位点，能介导PKC对Piezo1的机械激活电流的调控。此外，机械剪切应力及G蛋白偶联受体激动剂（如肾上腺髓质素、异丙肾上腺素）作为PKA和PKC信号通路的上游也可以促进S1612位点的磷酸化（图B），说明S1612位点的磷酸化调控方式的多样性，也预示了其参与调控Piezo1所介导的生理活动的可能性。

为了进一步研究S1612位点磷酸化的生理学功能，研究人员构建了Piezo1-S1612A的突变小鼠。利用该小鼠，研究人员发现PKA或PKC刺激无法引发血管内皮细胞中Peizo1磷酸化，也丧失了对Piezo1通道活性的调控（图C）。通过与北京大学深圳医院欧阳昆富研究员团队合作，对小鼠血压进行持续监测，发现突变小鼠在夜间活动期间的收缩压和平均血压显著升高。此外，行为学实验发现突变小鼠在耐力测试中表现出更多跌落，显示其运动耐力下降（图D）。研究结果表明，阻断Piezo1的S1612位点磷酸化会导致小鼠活跃状态下血压调节异常和运动耐力的降低。

综上，本研究鉴定出Piezo1通道中重要的磷酸化位点，并利用生物化学分析、磷酸化抗体制备、电生理分析以及突变小鼠分析等多种技术手段，全面探究了该位点的磷酸化对Piezo1通道活性的调控以及在体生理活动的调节，有力推进了对Piezo1通道的精细门控调控分子机制的理解，加深了对Piezo1通道参与血压调控和运动耐力等生理活动的认知，也为以Piezo通道为靶点的药物研发提供了新的思路。

肖百龙教授和北京大学深圳医院欧阳昆富研究员为本研究共同通讯作者，肖百龙课题组已毕业学生张廷鑫博士（现为美国得克萨斯大学西南医学中心研究科学家），在读博士生毕铖和已毕业学生李祎然博士为共同第一作者。另外，欧阳昆富课题组的赵凌云和肖百龙课题组博士后崔亚雄博士也参与了部分工作。

 

致谢

本工作得到了国家科技部2030科技创新-“脑科学与类脑研究”重大项目（2021ZD0203301）,国家自然科学基金委杰出青年科学基金以及延续资助（32425003、31825014）/重点项目（32130049）/创新研究群体项目（32021002），新基石研究员项目，清华大学万科公共卫生学院研究基金等项目经费支持。

 

 

科学家小档案

 

 

肖百龙 清华大学药学院

 

肖百龙博士，清华大学药学院长聘教授、药学院副院长，新基石研究员，北京市卓越学者，清华大学-IDG／麦戈文脑科学研究院研究员、清华－北大生命科学联合中心高级研究员，膜生物学国家重点实验室研究员，北京生物结构前沿中心研究员；国家杰出青年科学基金以及延续资助获得者，国家高层次人才特殊支持计划入选者，科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目首席科学家。其课题组长期致力于探究哺乳动物包括人类自身如何感知机械力这一生命科学本质问题，解答了机械力受体PIEZO将物理机械刺激转化为生物电信号的结构功能机制，建立了定量解释其皮牛尺度机械敏感性的机械门控理论学说，发现了其小分子工具药物，探究了其生理病理功能，在Nature（2012，2015，2018，2019，2022）、Neuron（2016，2020，2022，2024）、Annual Review of Pharmacology and Toxicology（2020）、Nature Reviews Molecular and Cell Biology (2024)等期刊发表系列研究或综述论文，产生了重要的学术影响。

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