PIEZO离子通道的弹簧力学机制：驱动快速失活与随机单通道门控的结构基础

《Cell Reports》：Spring-like mechanics enable rapid inactivation and stochastic single-channel gating of the mechanically activated PIEZO channel

本研究针对机械敏感性PIEZO通道在宏观电流快速失活与稳态膜张力下随机单通道开闭的机制难题，通过结构生物学、电生理学与分子动力学模拟，发现细胞外帽结构域连接 linker 作为熵弹簧，其压缩与伸展存储释放能量，驱动通道激活、失活及随机门控，揭示了离子通道机械传导与热波动门控的共性机制。

　　

在生命科学领域，离子通道如何将机械力转化为电信号一直是备受关注的核心问题。作为机械敏感性离子通道的典型代表，PIEZO通道在触觉、本体感觉、血管调节等生理过程中发挥关键作用。然而，长期以来困扰研究人员的一个谜团是：为什么PIEZO通道在机械刺激下产生的宏观电流会快速失活，但在稳态膜张力条件下，单通道记录却显示持续的开闭活动？这种看似矛盾的门控特性暗示着存在一种独特的力学机制，既能实现快速的力依赖性激活，又能支持热波动驱动的随机门控。

以往的研究表明，PIEZO1通道的三聚体碗状结构包含三个高度弯曲的叶片结构域和一个中央孔道模块，其中细胞外顶部帽结构域通过两个柔性连接 linker（OC-linker和S-linker）与跨膜区域相连。当膜张力使通道从弯曲状态变为扁平状态时，需要约50-150 k_BT的巨大门控能量，远超过热波动能量。然而，单通道水平观察到的随机开闭行为显然需要一种能够利用热波动能量的机制。这种能量上的差异提示我们，PIEZO通道可能采用了一种分级门控机制：叶片结构的扁平化需要大量能量，而局部构象变化则可以利用热波动。

为了揭示这一机制，清华大学肖百龙团队在《Cell Reports》上发表了最新研究成果，他们发现连接帽结构域与孔道的 linker 区域表现出类似弹簧的力学特性，能够存储和释放弹性势能，从而驱动PIEZO通道的快速失活和随机单通道门控。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过全细胞膜片钳记录分析宏观电流特性，利用细胞贴附式单通道记录研究稳态张力下的随机门控行为，采用分子动力学模拟分析 linker 的力学性质，并通过定点突变和嵌合体构建探究关键残基功能。研究所用细胞模型为PIEZO1基因敲除的HEK293T细胞，确保了实验结果的可靠性。

OC-linker和S-linker表现出弹簧样构象变化

通过比较PIEZO1的弯曲闭合结构（PDB: 7WLT）与部分扁平中间开放结构（PDB: 8IXO），研究人员发现通道开放伴随着帽结构域的下移以及OC-linker和S-linker的弹簧样构象变化。在从闭合到开放的转变过程中，S-linker从伸展状态变为压缩的螺旋形成状态，其长度缩短约10 ?。类似地，OC-linker的下部也从垂直伸展状态变为膜平行状态。这些构象变化导致相关联的帽门和跨膜门的开放。而在完全扁平化的失活状态结构（PDB: 7WLU）中，这两个 linker 处于伸展状态，帽结构域处于向上状态，通道关闭。这些结构观察表明，在PIEZO1保持扁平化的稳态下，帽结构域通过OC-linker和S-linker的弹簧样运动在上下状态之间切换，可能为重复性开闭提供结构基础。

OC-linker和S-linker参与失活动力学

为了验证 linker 在门控行为中的作用，研究人员利用mPIEZO1和dPIEZO（果蝇PIEZO）物种间失活动力学的差异，构建了一系列嵌合体。将mPIEZO1的OC-linker和/或S-linker替换为dPIEZO相应区域后，失活速度显著加快，甚至快于dPIEZO本身。相反，将mPIEZO1的 linker 区域引入dPIEZO则减缓了失活速度。这些结果表明 linker 的差异导致了物种间失活动力学的不同。

OC-linker下端和上端残基影响失活动力学

通过残基替换，研究人员发现OC-linker两端的残基对失活动力学有重要影响。在mPIEZO1中，I2213（下端）和D2225（上端）的突变显著加速了失活。I2213的疏水性和空间位阻影响失活速度，而D2225可能通过与其带正电的残基（K2231和R2318）的静电相互作用稳定OC-linker的上端。双突变I2213G/D2225H产生协同效应，进一步加速失活。

S-螺旋影响失活动力学

S-linker中的短螺旋区域（S-helix，L2458-Y2464）在通道开放时形成。该区域的突变（如L2458A、L2461A、Y2464A）加速了失活，表明S-helix对失活动力学有贡献。作为铰链残基的G2465对其柔韧性至关重要，其突变也影响了失活动力学。

OC-linker/S-linker与跨膜门的功能耦合

即使在对失活有减缓作用的S2472E突变背景下，I2213G、D2225H和G2465A/S等加速失活的突变仍能发挥作用，表明 linker 与跨膜门在控制失活动力学上存在功能耦合。

OC-linker和S-linker表现出熵弹簧特性

Steered分子动力学模拟显示，OC-linker和S-linker的力-位移关系符合蠕虫状链模型，表现出熵弹簧行为。拟合的持久长度分别为0.45 nm和0.43 nm，与未折叠多肽的报道值接近。计算表明，三个OC-linker和S-linker对在帽上下切换过程中产生的总力为45.9 pN，能量为19.8 pN·nm（4.8 k_BT）。

OC-linker和S-linker影响随机单通道门控

单通道记录显示，mPIEZO1和dPIEZO具有不同的单通道特性。mPIEZO1的单通道电流较大，开放时间较长，而dPIEZO则表现出快速闪烁的开放事件。将mPIEZO1的OC-linker和/或S-linker替换为dPIEZO相应区域后，单通道电流减小，开放时间缩短，类似于dPIEZO的表型。相反，将dPIEZO的相应残基变为mPIEZO1类型则延长了开放时间。重要的是，宏观电流的失活时间常数与单通道平均开放时间呈线性相关，表明单通道开放状态的稳定性决定了宏观电流的失活动力学。

I2213、D2225和G2465影响单通道门控

与嵌合体结果一致，mPIEZO1的I2213G、D2225H、I2213G/D2225H和G2465S突变导致单通道开放时间缩短，电流呈现闪烁特性。有趣的是，I2213G和D2225H对单通道电导有协同影响，双突变显著降低了电导，而dPIEZO的相应双突变则增加了电导。

研究结论与讨论部分指出，该研究揭示了OC-linker和S-linker作为压缩性熵弹簧在PIEZO通道门控中的核心作用。在力诱导的叶片扁平化和帽下移过程中，被压缩的 linker 存储弹性势能，用于打开孔道。随后， linker 倾向于回到松弛的高熵状态，使帽上移，通道失活。在稳态张力下， linker 相关的弹性势能和热能量共同驱动帽在上下状态之间的重复转换，导致随机单通道门控。这种弹簧样机制不仅解释了PIEZO通道的独特门控特性，也可能适用于其他机械敏感通道甚至配体门控通道，因为它们也含有连接刺激感受域和孔道的柔性 linker。该研究为理解离子通道如何利用结构力学实现其功能多样性提供了新视角。