水螅的 “机械感知密码”：Piezo 蛋白如何调控神奇生命活动？

为探究 Piezo 蛋白在水螅机械刺激响应中的生理作用，研究人员开展相关研究。结果发现其参与水螅收缩行为及刺胞排放调控，且高度保守。该研究揭示新机制，为相关疾病研究提供模型，值得科研读者一读。

　　

在神奇的生命世界里，细胞就像一个个忙碌的小工厂，时刻都在应对着各种挑战。它们不断地暴露在机械力等各种刺激之中，为了维持自身的稳定状态，细胞必须拥有一套特殊的 “感知系统” 来检测并传递这些刺激信号 ，而机械敏感系统（MS）就是细胞应对这些挑战的得力助手。Piezo 蛋白，作为近年来新发现的一类机械门控离子通道，它能够感知细胞膜的机械变化，允许阳离子（主要是 Ca2?）流入细胞，在生物的生理过程中发挥着重要作用。

在动物进化的长河中，刺胞动物门（Cnidaria）占据着独特的位置。它大约起源于 7.4 亿年前，通常被认为是两侧对称动物（Bilateria）的姊妹群。刺胞动物门拥有一种特殊的细胞 —— 刺细胞（cnidocyte），同时还具备独特的收缩细胞 —— 上皮肌肉细胞（epitheliomuscular cell），这些细胞参与了刺胞动物的多种重要活动，如运动、进食和防御等。

水螅（Hydra sp.）是刺胞动物门水螅纲的淡水生物，别看它身体结构简单，只有两层细胞，却有着复杂的行为。水螅的身体会根据机械、化学、光刺激以及营养状态等因素，展现出多种运动模式，像伸长、弯曲、收缩等。而且，水螅在应对渗透压变化时，会通过收缩爆发（contraction burst）排出体内多余水分，维持体内环境稳定。当受到机械刺激，比如被触碰时，水螅也会迅速做出收缩反应。

虽然之前有研究发现水螅的外胚层会表达 Piezo 蛋白，但 Piezo 蛋白在水螅以及其他刺胞动物中的生理作用却一直是个未解之谜。为了揭开这个神秘的面纱，研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Physiological relevance of mechano-sensory Piezo channels in Hydra sp.” 的论文，深入探究了 Piezo 蛋白在水螅应对机械刺激相关反应中的生理意义。

研究人员在此次研究中运用了多种技术方法。首先是生物信息学分析，通过该方法在水螅基因组中寻找 Piezo 蛋白的同源序列，并分析其特征结构域和保守基序；其次是行为学实验，利用视频记录水螅在不同处理条件下的行为变化，研究 Piezo 蛋白对水螅收缩行为和刺细胞排放的影响；此外，还进行了渗透压实验，观察水螅在不同渗透压环境下的反应，以此来探究 Piezo 蛋白在水螅渗透压调节中的作用。

下面我们来看看研究人员都发现了什么有趣的结果吧！

1. 水螅基因组中 MS 通道 Piezo 的存在及生物信息学分析：基于单细胞 RNA 测序数据，研究人员发现水螅表达与 MS 通道 Piezo 对应的 RNA。通过与小鼠的 Piezo1 和 Piezo2 蛋白对比，在水螅中找到了相似序列。生物信息学分析显示，水螅 Piezo 蛋白具有高度保守的特征结构域，如 Piezo 结构域、离子通道结构域以及 R - Ras 结合结构域等，并且其 PFEW 基序也高度保守。同时，研究人员还在其他刺胞动物以及更广泛的物种基因组中寻找 Piezo 蛋白，发现了一些在刺胞动物和两侧对称动物中高度保守的片段，这些片段可能是 Piezo 蛋白家族的特征标记。
2. 系统发育分析：研究人员运用最大似然法（Maximum Likelihood）和邻接法（Neighbour - Joining）对水螅 Piezo 蛋白进行系统发育分析。结果发现，不同分析方法得到的结果有些差异。在分析与其他生物的进化关系时，发现真菌有时会出现在意想不到的位置。而在分析刺胞动物内部关系时，发现水螅纲和钵水母纲关系密切，是珊瑚纲的姊妹分支，黏体动物门则作为姊妹群存在。
3. Piezo 蛋白与收缩行为：研究人员用 Piezo 激动剂 Jedi1 处理饥饿的水螅，进行剂量反应实验。通过手动分析水螅的图像，定义了不完全收缩（身体缩短但保持管状，触手不收缩）和完全收缩（收缩爆发，身体呈球状，触手也收缩）两种收缩类型。结果发现，Jedi1 处理后，水螅的收缩行为呈剂量依赖性增加，尤其是收缩爆发的次数显著增多，且高剂量的 Jedi1 还会延长每次收缩爆发的持续时间。此外，Jedi1 还会使水螅的身体、触手长度缩短，口道长度增加。
4. Jedi1 对收缩爆发持续时间的影响：进一步分析发现，Jedi1 处理后，水螅每次收缩爆发的平均持续时间也呈剂量依赖性增加，高浓度的 Jedi1 甚至会让水螅大部分时间都处于收缩状态。
5. Jedi1 对水螅身体各部分长度的影响：研究人员定量测量了水螅在不同时间点的口道、触手和身体柱的长度，发现 Jedi1 处理后，这些部位的长度变化与收缩行为的变化趋势一致，都呈现出剂量依赖性的改变，再次证明了 Jedi1 对水螅身体形态和收缩行为的显著影响。
6. GdCl?对 Jedi1 诱导的收缩活动的影响：为了确认 Piezo 蛋白的作用，研究人员用 GdCl?（一种非特异性机械门控通道阻滞剂）处理水螅后再加入 Jedi1。结果发现，Jedi1 诱导的部分收缩和收缩爆发的数量在 GdCl?存在时显著减少，而出现了一种新的收缩模式 —— 身体完全收缩但触手不收缩。这表明 GdCl?能够抑制 Jedi1 对水螅收缩行为的诱导作用，进一步证明了 Piezo 蛋白在水螅收缩行为中的重要作用。
7. 渗透压变化与水螅的收缩行为：研究人员改变水螅培养介质的渗透压，观察其收缩行为的变化。结果发现，低渗条件下，水螅收缩爆发的频率显著增加，这与 Jedi1 处理后的结果相似；而高渗条件下，水螅的收缩行为与对照组相似。当用 GdCl?处理水螅后再置于低渗环境中，收缩爆发被完全阻断，同时还观察到水螅的胃血管腔（GVC）出现了明显的运动和形状变化。这说明渗透压变化会影响水螅的收缩行为，并且 Piezo 蛋白可能参与了这一过程。
8. Piezo MS 通道的激活与刺细胞排放：刺细胞排放是刺胞动物的一个重要生理过程，通常由机械和 / 或化学刺激引起。研究人员用 Jedi1 处理水螅，观察其对与进食相关的刺细胞（desmonemes）排放的影响。结果发现，100μM 及以上剂量的 Jedi1 能够显著增加 desmonemes 的排放数量，与已知的刺激物谷胱甘肽（GSH）处理后的效果相似。当同时使用 Jedi1 和 GSH 时，desmonemes 的排放数量并没有进一步增加。而当 Jedi1 与 GdCl?同时处理水螅时，Jedi1 诱导的 desmonemes 排放被阻断。这表明 Piezo MS 通道可能参与了水螅刺细胞排放的机制。

综合以上研究结果，研究人员得出结论：Piezo MS 通道存在于水螅中，并且在水螅对机械刺激的生理反应中发挥着重要作用，包括在渗透压调节过程中的收缩反应以及与触觉相关的刺细胞排放。生物信息学分析还表明，水螅的 Piezo 蛋白与其他后生动物（Opisthokonta）的 Piezo 蛋白高度保守。

这项研究意义重大。它不仅揭示了 Piezo 蛋白在水螅中的生理功能，为我们理解刺胞动物的生理机制提供了新的视角，还因为 Piezo 蛋白与多种病理状况相关，而水螅的 Piezo 蛋白又高度保守，使得水螅成为研究 Piezo 蛋白生物学和药理学的理想实验模型。通过对水螅的研究，我们有望深入了解 Piezo 蛋白的作用机制，为开发治疗相关疾病的新方法提供理论依据。