Piezo蛋白的故事：觸覺、聽覺和本體感覺背後的觸感機制

從掐痛到輕撫，科研人員正在逐漸揭開壓力敏感蛋白的面紗——正是依靠這些蛋白，細胞才能感知張力和壓力。

撰文 | Amber Dance

女孩努力讓手臂和雙手保持穩定，但手指卻不自主地扭動。如果閉上眼睛，症狀會進一步惡化。她並非缺乏保持四肢穩定的力量——它們似乎全然不受她的控制。

在某些動物中，三個葉片狀蛋白質共同組成Piezo1通道，它主要幫助細胞感知觸摸。圖片來源：David S. Goodsell/RCSB PDB

Carsten Bönnemann清楚地記得2013年在加拿大卡爾加里的一家醫院裡，對這名女孩進行的檢查。作為美國國家神經疾病和卒中研究所的一名兒科神經病學家，他常常要出差會診令人費解的病例。但這次的病例，他也是頭一次見。

如果不睜眼看著自己的四肢，女孩似乎根本不知道它們在哪裡。她無法感知身體在空間中的位置，而這是一種至關重要的能力，即本體感受（proprioception）。“這種情況究竟為何會發生，令人費解。”Bönnemann說。

他的團隊對這名女孩以及另一名症狀相似的女孩[1]做了基因測序，發現了一個名為“PIEZO2”的基因的突變。他們的運氣很不錯：就在幾年前，研究人員探究細胞感知觸摸的機制時，發現該基因編碼了一種壓敏蛋白[2]。

Piezo2和相關蛋白Piezo1的發現，可以說是數十年來探尋觸感機制過程中的高光時刻了。Piezo屬於離子通道，即細胞膜上允許離子通過的通道，且這種離子通道恰好對細胞張力敏感。“關於細胞間的信號傳遞，我們已經瞭解了很多，主要涉及化學信號傳導。”加州斯克裡普斯研究中心的分子神經生物學家Ardem Patapoutian說，其研究團隊發現了Piezo。“我們現在逐漸意識到，機械感覺這種物理力也是一種信號傳導機制，只不過我們對此知之甚少。”

觸覺幾乎是所有組織和細胞正常運作的基礎，Patapoutian說。生物通過力瞭解周圍的世界，享受愛撫的同時規避痛苦刺激。機體細胞會感覺血液流動，感受空氣使肺部膨脹，感受胃和膀胱充盈。聽覺的基礎也是內耳中的細胞感知源自聲波的力。

在過去的十年中，對Piezo和其他機械敏感離子通道的研究蓬勃發展。過去三年中，僅圍繞Piezo就發表了300多篇論文。大家最關心的問題之一是，位於細胞膜上的蛋白質如何感知力並對其作出反應。科學家利用冷凍電鏡（cryo-EM），在揭示Piezo獨特的三葉結構方面取得了進展，但對其完整的機制仍一知半解。研究人員還發現，Piezo不僅僅參與了觸覺或本體感覺。例如，Piezo或有助於解釋為什麼某些人群能夠抵抗瘧疾，甚至可能解釋為什麼宇航員在太空會出現骨量丟失。研究人員已經開始考慮使用藥物（例如治療慢性疼痛的藥物），調節力敏蛋白。

機械敏感蛋白有助於感知體重對骨骼的壓力，但是如果沒有重力作用，它們的功能就會大大減弱。生活在太空中的宇航員只能通過抗阻訓練，彌補這種情況。圖片來源：JSC/美國國家航空航天局

“很長一段時間以來，我們都知道細胞具有這種功能，但卻不瞭解背後的機制。”斯坦福大學的感官生理學家Miriam Goodman說，“Piezo確實改變了這一點。”

飄忽的觸覺

長久以來，觸覺一直給人一種不真實的感覺。其他感覺，比如視覺和味覺，都相對好理解，Patapoutian說：擊中眼睛的光子或滲透到鼻子和舌頭的化學物質激活了相應的受體；這些受體促使離子通道開放，正離子得以進入細胞；細胞去極化，將刺激轉換為大腦可接受並理解的電信號。

科學家推測：在觸覺、本體感覺和聽覺中，某種蛋白質可能既用作力傳感器，又充當離子通道，因為在聽覺中，信號發生速度很快——幾乎都在微秒間。但是這些聯合的感受器-通道蛋白究竟是什麼，我們仍不清楚——至少在哺乳動物中是如此。研究人員在細菌、果蠅和線蟲中發現了一些機械敏感通道。

因此，Patapoutian和他的同事Bertrand Coste制定了一個研究計劃。他們從一種小鼠細胞入手，這種細胞能夠將用移液管輕輕戳一下的微小力量，轉換成可測量的電流。然後，Coste敲除候選離子通道基因中的一個（每批細胞中敲除一個不同的基因），通過觀察哪批細胞突然失去了其觸覺敏感性，確定相關基因。起初，Coste非常自信，認為只要花上幾個月甚至幾周的時間就能成功。

然而實驗幾乎花了一年的時間。2009年年底，Coste終於有了發現——他用移液管戳了戳細胞，它們絲毫沒有反應。某個力敏通道一定已經被敲除了。

“那真是非常美好的一天。”目前在法國國家研究所（CNRS）工作的Coste回憶說。他和Patapoutian將這個小鼠基因命名為“Piezo1”，希臘語中是“壓力”的意思，他們很快又發現了Piezo2。後來，研究團隊發現Piezo2與小鼠感覺神經元和皮膚細胞的觸覺存在直接聯繫[3]。

螺旋槳結構

看到這樣的研究結果，研究人員都驚呆了，Goodman回憶說，特別是因為Piezo蛋白竟然如此大，如此複雜。Piezo1由2500多個氨基酸組成，重達300 KD，它共穿越細胞膜38次，幾乎是破紀錄的存在。（作為對比參考，哺乳動物體內蛋白質通常包含近500個氨基酸。）

可惜，如此“龐然大物”卻妨礙了研究人員解答Piezo領域最熱門的問題：這種機械敏感通道如何感應力？它們如何打開和關閉？紐約洛克菲勒大學的生物物理學家Roderick MacKinnon說，揭示蛋白質結構，對回答這類問題有很大幫助。“只有看清它的結構，我們才能回答這些問題。”

要應付體積龐大、結構複雜的蛋白質，諸如X射線晶體學和核磁共振波譜儀之類的結構技術都只能說勉勉強強，清華大學的神經系統科學家肖百龍說。他之前曾在Patapoutian的實驗室從事博士後研究。

幸運的是，2013年肖百龍組建自己的實驗室時，另一種能夠獲得高分辨率結構圖像的技術出現了：冷凍電鏡技術。他的研究團隊利用該技術，在2015年第一次報道了Piezo1的結構[4]。此後，他的團隊、MacKinnon團隊和Patapoutian團隊又先後報道了若干高分辨率版本。去年9月，肖百龍團隊進一步得到了Piezo2的結構圖，其大小和形狀與Piezo1類似。肖百龍團隊的Piezo2圖像是迄今為止，從三個葉片尾部角度拍攝的最清晰的結構圖，這三個葉片在不斷運動，因此很難抓拍到清晰的圖像[5]。

所得的圖像非常驚豔。三個Piezo蛋白形成三聚體穿過細胞膜（詳見“壓力感受器”）。以中央孔為中心，三個蛋白盤旋向外，就像螺旋槳葉片那樣。它們向上向外彎曲，在細胞表面形成了一個深深的凹陷結構。

Patapoutian和肖百龍認為，當有機械力作用於細胞膜時，“葉片”結構會在細胞膜內側帶動“支撐杆”結構，從而使中央孔打開（參閱“通道開啟”）。而MacKinnon認為，Piezo的“葉片”結構讓細胞膜起褶的方式，或許暗示了一種不同的機制：無論推或拉，都將增加細胞膜張力，彎曲的通道可能會被拉平，從而打開。

這些假設目前還無法檢驗，因為研究人員迄今僅能研究被分離出來的Piezo蛋白，這些蛋白已經與細胞膜分離且處於閉合狀態。如果能拍攝Piezo在細胞膜中且處於打開狀態的圖片，應將有助於科研人員瞭解其秘密。“我們希望能夠在其自然狀態下進行觀察。”Patapoutian說。

不止一個實驗室正在嘗試拍攝處於打開狀態的Piezo通道的圖像。Patapoutian團隊採用的是一種Piezo1激活物，他們將其命名為Yoda1，來自《星球大戰》中綠色矮小、使用原力的絕地大師的名字。Patapoutian希望藉助Yoda1的刺激，拍攝Piezo1打開狀態的圖像。他還提出了另外一種方法——將Piezo插入“納米盤”，這種人造細胞膜可能有助於穩定通道的開放構象。同時，肖百龍團隊正在利用冷凍電子斷層掃描技術，該技術可以從不同的傾角對樣品進行成像，或有助於弄清楚天然或人造細胞膜上的Piezo通道結構。

痛覺過敏的痛點

除了結構學研究，從功能學角度出發，科研人員發現Piezo蛋白在體內有不止一種作用。

2014年，神經科學家Alex Chesler剛加入美國國家補充與整合衛生中心。受Coste的發現的啟發，他當時正在進行小鼠造模，敲除其體內的Piezo2，以探究該通道在觸覺中的作用。後來有一天，他收到了一封郵件，來自和他在同一幢樓內工作的Bönnemann，內容正是關於那兩個缺乏本體感覺的女孩。

Chesler直奔樓上，去了Bönnemann的辦公室。他氣喘吁吁地說：“你不知道這是多寶貴的財富。”Chesler無法直接詢問敲除了Piezo2的小鼠，感覺或沒有感覺到什麼——但如果對象是人，那就不一樣了。

他和Bönnemann邀請這兩個女孩到Bethesda接受更全面的評估。兩個女孩的本體感覺缺失都可以得到代償，睜著眼睛，她們仍能夠走直線或觸摸指定物體。但一旦矇住她們的眼睛，任務就變得很困難。同樣，在保持正常聽覺的情況下，她們能夠感受到音叉在皮膚上的振動；但如果戴上消噪耳機，她們就全然無法察覺振動了[1]。

Patapoutian在小鼠中發現了相同的現象：如果控制肌肉和肌腱的神經缺乏Piezo2，這些小鼠的本體感覺就會出現缺失，動作也會不協調

注射了辣椒素（辣椒中發現的辛辣分子）或神經損傷後的小鼠，一般會出現異常性疼痛，但敲除了Piezo2基因的小鼠則不會[7]。Chesler和Bönnemann報道稱，PIEZO2突變患者也會有類似的痛覺變化[8]。

“慢性疼痛非常折磨人。”Swetha Murthy說，他在Patapoutian手下做博士後時，領導開展了一項異常性疼痛研究，“我認為對於這些神經疾病，我們可以開始尋找靶向Piezo2的藥物。”Patapoutian和Chesler都在尋找能夠在疼痛部位阻斷Piezo2活性，而又不干擾其在身體別處作用的化合物。肖百龍說：“Piezo通道藥物背後的潛力非常巨大。”

需要感知觸覺的不僅僅是神經元細胞；幾乎每一個細胞都會受到某種力的作用。譬如紅細胞，它們必須發生形變，才能擠過細小的毛細血管。基因突變導致Piezo1過度激活，可能引起血細胞萎縮，並引起脫水性遺傳性紅細胞增多症（一種罕見病）患者發生貧血。

那些皺縮的紅細胞讓Patapoutian 想起了鐮狀細胞貧血。鐮狀細胞基因突變在非洲裔群體中非常常見，因為它可以抵禦瘧疾。Patapoutian想知道的是，PIEZO1突變是否也有類似功能。

如果有，那麼在非洲裔群體中，這種突變的發生率應該相對較高。數據庫檢索結果顯示Patapoutian是正確的：數據庫中有三分之一的非洲裔人群出現了一個特定的PIEZO1變體[9]。另一個研究團隊報告說，這種PIEZO1突變的攜帶者對嚴重瘧疾具有抵抗力[11]。

根據肖百龍團隊的研究，Piezo1還參與了骨骼形成和維護。如果敲除小鼠成骨細胞（造骨細胞）中的Piezo1，小鼠會更瘦更小。與對照組相比，實驗組小鼠支撐體重的長骨相對輕薄乏力。

此外，被部分懸空的野生型小鼠（不必支撐自己的全部體重），其Piezo1的表達水平較低，骨量也相對較少[11]。肖百龍認為這種現象很與骨質疏鬆症患者非常類似，特別是那些長期臥床或在國際空間站工作的宇航員。

機械力傳感器

“Piezo的發現對整個領域來說是一個巨大的進步，”澳大利亞新南威爾士大學的生物學家Kate Poole說，“但大家都很清楚，我們不能滿足於此。”

聽覺研究人員為尋找相關通道，已努力了整整四十年。“一路上走了不少彎路，”波士頓兒童醫院的神經科學家Jeffrey Holt說，“好在我們最終找到了正確的答案。”

這一關鍵通道蛋白被稱為“TMC1”。當Holt改變TMC1中部分氨基酸時，內耳細胞將機械信號轉換為電信號的能力也隨之改變了[12]。另一研究報告顯示，提純後的TMC1能夠在人工膜泡中構建機械敏感的離子通道[13]。但是，TMC1的結構仍是個謎，因為我們很難純化出足夠數量的TMC1，無法確保獲得高質量的冷凍電鏡圖像。

與此同時，Patapatoutian的團隊正在尋找其他新的通道。2018年，Patapatoutian、Murthy和斯克裡普斯研究中心的結構生物學家Andrew Ward報道了他們認為最大的機械激活通道家族。他們知道一組蛋白質能夠幫助植物感應滲透壓——OSCA蛋白——並認為它們或許可以更普遍地感知力。在人類腎臟細胞中，當Murthy牽拉細胞膜時，OSCA的確作出了反應[14]。

OSCA通道與Piezo蛋白關係密切，可感受植物細胞中的滲透壓變化。圖片來源：Sebastian Jojoa-Cruz/Ward實驗室

研究人員還從既往的研究中，瞭解到OSCA蛋白與哺乳動物中的另一個蛋白家族——TMEM63蛋白關係密切。在小鼠、人類甚至果蠅中，當Murthy牽拉細胞膜時，TMEM63通道均會有所反應，因此OSCA和TMEM63蛋白構成了許多生物共同的力傳感器蛋白家族。

俄勒岡健康與科學大學的生物物理學家和神經科學家Murthy說，我們迄今為止所發現的離子通道，無法完整解釋細胞的機械敏感性。一定還有未知的機械感受蛋白。

Patapoutian說，那些機械傳感蛋白的作用可能比我們想象的多得多，“我們所知道的不過是皮毛。”

參考文獻

[1] Chesler, A. T. et al. N. Engl. J. Med. 375, 1355–1364 (2016).

[2] Coste, B. et al. Science 330, 55–60 (2010).

[3] Ranade, S. S. et al. Nature 516, 121–125 (2014).

[4] Ge, J. et al. Nature 527, 64–69 (2015).

[5] Wang, L. et al. Nature 573, 225–229 (2019).

[6] Woo, S. H. et al. Nature Neurosci. 18, 1756–1762 (2015).

[7] Murthy, S. E. et al. Sci. Transl. Med. 10, eaat9897 (2018).

[8] Szczot, M. et al. Sci. Transl. Med. 10, eaat9892 (2018).

[9] Ma, S. et al. Cell 173, 443–455 (2018).

[10] Nguetse, C. N. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/691253 (2019).

[11] Sun, W. et al. eLife 8, e47454 (2019).

[12] Pan, B. et al. Neuron 99, 736–753 (2018).

[13] Jia, Y. et al. Neuron https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.10.017 (2019).

[14] Murthy, S. E. et al. eLife 7, e41844 (2018).

本文經授權轉載自微信公眾號“Nature自然科研”。原文以 The quest to decipher how the body’s cells sense touch為標題發表在2020年1月8日的《自然》新聞特寫上。

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