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更新时间:2019-10-06

  生命学院李丕龙课题组与医学院李海涛课题组合作报道组蛋白修饰通过促成相分离来调节染色质区室化的新机制

  生命学院方显杨课题组合作在黄病毒属长链非编码亚基因组RNA的溶液结构研究中取得新进展

  9月17日,由清华大学医学院长聘副教授、北京结构生物学高精尖创新中心研究员向烨领导的团队在《细胞研究》(Cell Research)在线发表题为“非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72的结构”(Structure of the African swine fever virus major capsid protein p72)的学术论文。该研究采用冷冻电镜单颗粒三维重构的方法,首次解析了非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72的高分辨率结构,揭示了非洲猪瘟病毒衣壳可能的组装机制,为非洲猪瘟病毒亚单位疫苗的开发打下了坚实基础。

  非洲猪瘟病毒起源于非洲,家猪感染致死率近100%,对家猪饲养产业乃至民生经济都有重大的威胁。非洲猪瘟病毒在过去几十年从非洲迅速传播到了欧洲,南美洲以及亚洲的一些地区。2018年8月我国东北地区发现非洲猪瘟病病毒感染,很快病毒传播到全国大部分地区,造成超过千亿人民币的经济损失。目前紧迫需要研发有效的疫苗和防疫手段控制及预防非洲猪瘟病毒。应国家之急需,由清华大学北京结构生物学高精尖创新中心及北京生物结构前沿研究中心牵头,联合北京大学、中国农业科学院哈尔滨兽医研究所、上海巴斯德所等单位十几个研究组于今年4月开始非洲猪瘟病毒攻关研究。

  ▲非洲猪瘟病毒结构:a. 依据非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72结构模拟病毒组装产生的非洲猪瘟病毒衣壳结构;b. 非洲猪瘟病毒衣壳蛋白p72三聚体冷冻电镜结构。

  非洲猪瘟病毒是一种双链DNA病毒,拥有复杂的结构,它的基因组由两层衣壳和两层外膜保护,衣壳主要由病毒编码蛋白p72构成,据以往试验数据估计,p72占病毒颗粒总重33%左右,同时p72是被病毒感染猪血液中能检测到的主要抗原。在研究p72蛋白初期,向烨研究组发现单独重组表达p72蛋白不能得到有正确折叠构象的p72蛋白,884554.com只有在p72和非洲猪瘟编码的另一个辅助蛋白B602L共同表达的情况下,才可以得到正确折叠构象的p72蛋白。以此为前提,研究组使用冷冻电镜单颗粒三维重构的方法确定了p72蛋白2.67埃的高分辨率三维结构(上图)。结果显示三个p72分子形成了稳定的三聚体形式。每个p72包含两个串联的卷筒蛋糕样结构域,每个结构域由8个β折叠片组成,这种结构域在大正二十面体病毒衣壳蛋白结构中很常见。三聚体p72的六个卷筒蛋糕样结构一起形成了一个伪六聚体的底部锚定在病毒的内膜上。三聚体p72折叠片之间的插入片段一起形成了一个类似于螺旋桨一样的顶部结构伸向病毒外部,极有可能是细胞表面受体结合区域。

  此前基于非洲猪瘟病毒p72蛋白的亚单位疫苗研究已有很多尝试,但没有获得满意的结果。分析前期相关研究失败原因很可能是没有使用正确折叠的p72蛋白。获取正确折叠的p72蛋白以及确定其高分辨率结构有助于开发靶向病毒衣壳组装的药物以及亚单位疫苗。目前p72亚单位疫苗的研发及评估正由清华大学和中国农业科学院哈尔滨兽医研究所联合紧密进行中。

  向烨副教授为本文通讯作者。清华大学生命联合中心2014级博士生刘琦为本文第一作者,向烨实验室2015级博士生马丙婷、清华大学药学院谭旭副教授及其实验室成员钱年超和张帆,清华大学生命学院校级冷冻电镜平台主任雷建林教授参与了该工作。

  清华生命学院李丕龙课题组与医学院李海涛课题组合作报道组蛋白修饰通过促成相分离来调节染色质区室化的新机制

  真核细胞利用许多膜结合的细胞器来区分生化反应,以便更好地进行空间和时间调节。例如,它们的基因组被封闭在一个膜结合的细胞器中,即细胞核,以便更好地控制遗传信息流。在细胞核内,基因组被进一步调控形成很多区室或区域,这些区室或区域在调节基因表达时起重要作用。从它们的一些特征判断,这些动态实体区室类似于无膜细胞器。许多在染色质区室化中起作用的蛋白质具有液-液相分离的固有能力,比如人源异染色质蛋白HP1α,以及果蝇异染色质蛋白HP1a。基于这些观察结果,有人已经提出染色质区室化是通过液-液相分离形成的。但是之前的研究都无法解释,为什么无法自身或与DNA发生相分离的人源异染色质蛋白HP1α的另外两种同源蛋白HP1β和HP1γ是如何行使类似的功能,以及组成型异染色质的形成,是否受到多价HP1蛋白复合体与多价组蛋白H3K9三甲基化(H3K9me3)修饰的多价相互作用形成的液-液相分离机制的调节。

  ▲核小体串上的H3K9me3与HP1复合体的CD的多价相互作用介导的液-液相分离促进异染色质区室的形成

  在本次工作中,李丕龙和李海涛课题组合作证明在试管中,组蛋白H3K9三甲基化(H3K9me3)修饰与识别其修饰的HP1染色质结构域Chromodomain(CD)的多价态相互作用可导致异染色质的形成。作者使用了两种多价HP1-CD复合体以及人源细胞核提取物重点染色质片段(NE)、体外重组具有H3K9me3修饰的核小体串(NA)作为实验体系。几条证据表明这些液滴的形成是由于液-液相分离介导形成的。由此产生的液滴让人联想到异染色质的动态行为,以及对生化调节和突变表型的反应。作者得出结论,多价H3K9me3/CD相互作用驱动形成的液-液相分离是细胞中异染色质形成的关键作用力。综上所述,本研究提出了组蛋白标记通过促进液-液相分离来调节染色体区室化的一般机制。

  李丕龙、李海涛为本文共同通讯作者。清华大学生命学院2015级博士生王亮、医学院2016级博士生郜一飞及医学院已出站博士后郑向东为本文共同第一作者。

  清华医学院程功实验室报道调控登革病毒传播关键因素并提出新型抗登革热阻断策略

  9月16日,清华大学医学院程功教授团队在《自然微生物学》以长文(Article)形式发表题为“宿主血清铁调节蚊虫对登革病毒的易感性”(Host serum iron modulates dengue virus acquisition by mosquitoes)的学术论文(DOI:10.1038/s4-x)。该研究首次发现人体血清铁含量是调控蚊虫传播登革病毒的关键因素,并提出基于补铁的抗登革热传播阻断策略。

  登革热是目前世界上传播流行最为广泛的病毒性传染病之一。登革病毒由蚊虫携带并且传播给人。目前,全世界范围内已有100多个国家及地区出现登革热的感染流行。据世界卫生组织估计,全世界大约由25亿人生活在受登革热感染威胁的区域,每年有3.9亿人被登革病毒感染或重复感染,有50-100万人入院治疗。登革热已经成为世界上第一大虫媒病毒性传染病。近20年来,登革热在全球范围内的流行趋势加剧,已经成为一个世界性的公共卫生难题。埃及伊蚊及白纹伊蚊是登革病毒在自然界传播的首要媒介。这类蚊虫在热带及亚热带地区广泛分布,但是登革热流行趋势与蚊虫分布不完全一致,登革热的流行存在明显人群及地域性差异。鉴定影响登革病毒传播的关键因素是本领域尚待回答的关键科学问题。

  蚊虫可以通过吸血从感染宿主体内获取病毒。在蚊虫吸血后的数天内,感染者的血液被快速消化。与此同时,血液内的病毒感染蚊虫肠道肠道上皮细胞,扩散进入蚊虫体腔,使蚊虫具备传播病毒能力。以上两个过程在时间上高度重合,于是研究者推测宿主血液因子或血液代谢产物可调控病毒在蚊虫体内感染过程,最终决定蚊虫携带并传播病毒的媒介效能。通过一系列筛选,首次发现宿主血清中铁离子含量与蚊虫吸血获取病毒的能力高度负相关,并证明血清铁离子浓度是阻抑蚊虫获取病毒感染的关键负调控因素。进一步研究结果显示,血清中铁离子进入蚊虫肠道后,可被肠道细胞的铁代谢系统直接利用,抑制细胞内的抗氧化酶基因表达,导致蚊虫肠道中活性氧 (ROS) 水平大幅提高,最终阻抑病毒在蚊虫体内的感染扩增 (图1)。

  ▲图1.宿主血清铁离子通过抑制肠道细胞内的抗氧化酶基因表达,提高蚊虫肠道中活性氧水平,阻抑登革病毒在蚊虫体内的感染

  铁缺乏症是一个在自然界中广泛存在的营养学难题。根据世界卫生组织报道,铁缺乏症在非洲、南美洲、东南亚等地区广泛分布。通过比较可以发现,铁缺乏症分布的区域与登革热流行的区域高度重合,因此研究者推测人群的缺铁状态与登革病毒的流行具有密切关系。在随后研究中发现宿主的低铁状态可以促进蚊虫在吸血过程中感染病毒,向低铁宿主体内补铁可以阻断病毒传播。说明向登革病毒疫区的人群中普遍补铁是切断登革病毒在自然界中传播的有效手段,将为登革病毒防治提供全新的防控思路和策略 。

  清华大学医学院程功教授为本论文通讯作者,清华大学医学院博士后朱毅斌为第一作者。来自美国康涅狄格大学医学院王朋华教授、中国疾控中心传染病所刘起勇教授、中国人民解放军联勤保障部队第920医院感染病科边中启教授、泰国先皇技术学院Itsanun Wiwatanaratanabutr教授、以及清华大学校医院副主任医师武天石为本论文合作者。

  清华电子系李越课题组在《自然通讯》发文报道通过介质集成光学掺杂实现近零指数概念器件

  9月11日,清华大学电子工程系李越副教授课题组在《自然通讯》(Nature Communications)发表了题为“用于近零指数器件的介质集成光学掺杂”(Substrate-integrated photonic doping for near-zero-index devices)的研究论文,首次提出可与介质集成的光学掺杂方法,实现具有近零指数电磁特性的功能器件,为新型芯片集成电路提供新的设计手段,在生物传感、集成电路、功能材料等领域具有潜在应用价值。

  近零指数(near-zero-index)器件是一类基于近零指数媒质的功能器件,与传统电磁器件相比,具有可形变、局部可调、场增强等特性。电磁波在近零指数媒质中,呈现出一种空间静态分布的特殊波动效应,中国十大虚拟主机服务商排名,包括近零的折射率和群速度,以及趋于无穷的波长和相速度。2017年,美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德恩赫塔(Nader Engheta)教授和李越副教授在《科学》期刊合作发表文章,首次提出基于近零指数媒质的光学掺杂概念,将掺杂技术从微观尺度移植于宏观尺度,通过非序构介质掺杂的形式调控等效媒质的磁导率,从而实现顺磁、逆磁、理想磁体等多种模态控制,是一类基于非周期结构的等效媒质理论。

  ▲介质集成光学掺杂特性的实验观测:(a)测试平台,(b)近零反射、零相位、高群延时现象

  以新理论的工程应用为出发点,本论文提出了基于介质集成的光学掺杂方法,与典型集成电路工艺相结合,将光学掺杂对等效媒质磁特性的调控表现为对芯片集成器件的电磁响应调控,实现了多种近零指数功能器件。例如借助掺杂介质内局域场增强效应的高灵敏度生物传感器、利用微弱的机械振动的高效光声调制器、可任意弯折形变且工作频率不变的“电纤”(类比于光纤)。此外,李越团队通过实验验证了介质集成光学掺杂概念的电磁特性,观测到零相移、高时延、掺杂介质位置无关性和器件形状无关性等,与解析理论预测和全波仿真结果吻合。

  本论文的理论和实验工作均在清华大学完成,清华大学电子工程系为论文第一单位。李越和纳德恩赫塔为本文通讯作者,电子工程系博士生周子恒为文章第一作者。其他作者包括清华大学电子工程系博士生李昊、孙旺宇,西班牙纳瓦雷公立大学伊涅格里博洛(Inigo Liberal)博士。

  清华生命学院方显杨课题组合作在黄病毒属长链非编码亚基因组RNA的溶液结构研究中取得新进展

  9月10日,生命学院方显杨课题组和军事科学院军事医学研究院微生物流行病研究所秦成峰课题组合作,在《欧洲分子生物学报道》(EMBO Reports)上发表了题为“黄病毒属长链非编码亚基因组RNA在溶液中具有伸展的三维结构并具有柔性”(Long non-coding subgenomic flavivirus RNAs have extended 3D structures and are flexible in solution)的研究论文。该论文首次详细报道了来源于黄病毒属2型登革病毒、寨卡病毒和西尼罗病毒的长链非编码亚基因组RNA的溶液结构。

  长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)是长度超过200核苷酸的非编码RNA,在生物体内发挥多种重要的功能,是当前生命科学研究的前沿热点。和其宿主一样,几乎所有病毒都能编码长链非编码RNA。许多蚊媒黄病毒,例如登革病毒、寨卡病毒和西尼罗病毒等是对人类健康构成重大威胁的病原体,在其感染的宿主细胞中,会发生大量长链非编码亚基因组RNA(sfRNA)的积聚,这些RNA在病毒的致病性以及对宿主的免疫逃逸中发挥重要作用。

  开展长链非编码RNA的结构-功能研究具有重要意义,但目前对其三维空间结构的研究缺乏有效手段,因而长链非编码RNA的三维空间结构信息还非常少。来源于蚊媒黄病毒的长链非编码亚基因组RNA的长度在400到500个核苷酸之间,应用传统的结构生物学方法,例如X射线晶体学、核磁共振或冷冻电镜对其进行结构研究非常困难。方显杨课题组的研究团队及其合作者,结合小角X射线散射技术及计算模拟,采用分步解决的方案,研究了来源于2型登革病毒、寨卡病毒和西尼罗病毒的长链非编码亚基因组RNA的溶液结构及其柔性。研究发现,黄病毒长非编码亚基因组RNA具有多个亚结构域,其在溶液中具有伸展的三维空间结构,具有类似于多结构域蛋白的模块化结构特征并存在较大的柔性。

  特别有意思的是,基于小角X射线散射数据的登革病毒、寨卡病毒和西尼罗病毒sfRNA的串联哑铃型结构域的三维空间形状结构显著不同,推测是其串联假结(pseudoknot)的拓扑结构差异造成的,这一推断被进一步的计算模拟,体外生化和体内细胞实验证实。该研究是对长链非编码RNA三维结构研究的积极探索,论文的研究成果不仅为理解sfRNA的生理功能提供了重要结构信息,还表明基于小角X射线散射和计算模拟的整合结构生物学方法是对其它长链非编码RNA溶液三维结构研究的可行方法。

  清华大学生命学院方显杨研究员和军事科学院军事医学研究院微生物流行病研究所秦成峰研究员为本文的共同通讯作者,清华大学生命学院2013级直博生张玉鹏,2016级普博生张一堪,微生物流行病研究所刘忠钰博士(现任中山大学医学院副教授),微生物流行病研究所硕士研究生程梦丽为本文共同第一作者。

  清华公管学院朱俊明、薛澜合作发文揭示中国碳排放权交易政策对低碳创新的影响

  9月9日,清华大学公共管理学院朱俊明副教授、薛澜教授在国际学术期刊《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了题为“中国碳排放交易引发的低碳创新”(Low-carbon innovation induced by emissions trading in China)的研究论文,评估了中国碳排放权交易试点政策对促进企业创新的效果及政策作用机制。

  碳排放权交易是一项受到广泛关注的市场型碳减排政策,被世界多个国家及地区所采用,可以为减缓气候变化发挥重要作用。目前对碳排放权交易政策效果的经验知识主要来自于对欧盟碳市场的研究。而人们对这一市场型政策的作用范围、与其它政策交互的影响以及政策设计所带来的作用机制变化了解仍很少,限制了政策的进一步推广与发挥更大的作用。

  针对这一问题,清华大学公共管理学院朱俊明副教授、薛澜教授等关注于我国2013年开始的碳排放权交易试点政策,利用企业层面数据与专利申请信息,使用匹配与双重差分的方法,实证检验了政策对企业低碳创新的影响与潜在作用机制。低碳创新有助于摆脱对碳密集型经济和能源基础设施的路径依赖,缓解碳减排趋势不确定所造成的负面影响,对实现稳定减排至关重要。

  研究发现,在节能减排、低碳试点等政策影响的基础上,碳排放权交易在实施的两年内促进交易企业额外增加1.75个低碳专利申请,接近欧盟碳市场五年内2个低碳专利申请的政策效应,且同时增加了这些企业其它类型专利、特别是其它绿色技术专利的申请。政策的影响范围超出了碳排放权交易企业,对于尚未纳入碳交易而未来可能被纳入企业的影响也十分显著。研究还发现企业创新行为并没有受到碳交易价格的影响,而是受到了配额分配方式的显著影响。这一系列研究发现为我国全国碳市场的建设提供了参考依据。

  清华大学公共管理学院朱俊明副教授为文章的第一作者及共同通讯作者,清华大学原博士后、现西南财经大学讲师邓兴华为文章的共同通讯作者,薛澜教授与清华大学本科生毕业生、现麻省理工硕士生樊依纯为论文的共同作者。

  该论文首次对果蝇不稳定短记忆和稳定长记忆主动遗忘的下游分子机制进行了系统比较和解析,发现不稳定短记忆的主动遗忘由Rac1/WAVE complex/ Dia通路介导,而稳定长记忆的主动遗忘通过Cdc42/WASp/ Arp2/3 complex通路介导。由于Dia和Arp2/3 complex被报道分别调控神经元微丝骨架线性生长和分支生长,这使得本论文研究成果提供了一个有趣的可能性:稳定性不同的记忆组分的主动遗忘,可能与神经元不同形式的微丝结构的生长方式有关。

  早在1885年,德国心理学家艾宾浩斯(Hermann Ebbinghaus)就描绘出了人类大脑对于新习得记忆的遗忘曲线,从此开始了人类探寻遗忘奥秘的旅程。在随后的一百多年间,许多学者利用实验心理学的方法,试图寻找遗忘的产生机制,也随之创造了多种理论去解释遗忘现象,但最终都未能获得统一答案。遗忘现象作为人类记忆的基本特征,虽然在心理学中被广泛地研究和报道,但是在神经生物学的研究中几乎无人问津,俨然成为了被“遗忘的角落”。主要原因可能是遗忘过程被简单地认为是记忆失败的另外一种描述方式,是一个被动的过程(记得差则忘得快,记得好则忘得慢),从而忽略了遗忘自身可能存在独特的分子机制。

  直到2010年,钟毅教授课题组首次发现了主动遗忘的生物机制,即学习过程本身会激活遗忘信号分子通路来主动地遗忘所形成的记忆。这种主动遗忘机制并不影响学习自身效果的好坏,而是特异影响已获得记忆遗忘速度的快慢。而且不同记忆组分会分别拥有专属的主动遗忘机制。如在果蝇嗅觉惩罚学习中,一次训练(5分钟)即可同时产生两种性质完全不同的记忆组分:不稳定的、维持几个小时的麻醉敏感记忆(ASM, anesthesia-sensitive memory)和较为稳定的、维持一天以上的抗麻醉记忆(ARM, anesthesia-resistant memory)。钟毅课题组先后发现一次学习会一方面激活小G蛋白家族中的Rac1分子来抹掉不稳定的、维持几个小时的麻醉敏感记忆,另一方面激活另一个小G蛋白家族成员Cdc42分子来遗忘较为稳定的、维持一天以上的抗麻醉记忆。然而Rac1与Cdc42分别介导的遗忘机制的具体下游分子通路还并不清楚。

  近日钟毅课题组在线发表的研究论文首次解析了这两种遗忘机制的下游分子通路:Rac1/WAVE complex/ Dia通路介导短记忆组分(不稳定的、维持几个小时的麻醉敏感记忆)的主动遗忘,而Cdc42/WASp/ Arp2/3 complex通路介导长记忆组分(较为稳定的、维持一天以上的抗麻醉记忆)的主动遗忘。这两种主动遗忘机制均发生在果蝇学习记忆中枢蘑菇体中(蘑菇体约包含4000个神经元,整个果蝇大脑有10万以上的神经元)。有趣的是,细胞生物学研究发现Dia直接负责微丝骨架的线 complex则负责微丝骨架的分支生长。这提示我们不同记忆组分的主动遗忘功能可能与神经元的微丝骨架结构的不同形式的动态变化相关。这些研究成果一方面将学术界对遗忘分子机制的理解带入了更加精细的维度,另一方面为直接调控遗忘功能提供了更多有效的药理学靶点。

  清华大学生命科学学院博士生高扬、美国珍妮莉亚研究园区(Janelia Research Campus)的研究专员帅祎春、清华大学生命科学学院已毕业博士生张煦晨和博士生彭榆玮为本文共同第一作者。清华大学钟毅教授和李乾助理研究员为本文共同通讯作者。

  8月21日,《自然》 (Nature) 期刊以长文形式在线发表了由清华大学药学院肖百龙课题组与生命科学学院李雪明课题组合作撰写的《哺乳动物触觉感知离子通道Piezo2的结构与机械门控机制》(Structure and Mechanogating of the Mammalian Tactile Channel Piezo2)研究论文,首次报导了赋予人类自身触觉感知能力的机械力分子受体-Piezo2离子通道的高分辨率的冷冻电镜三维结构和精巧工作机制。该研究也是两个课题组继2018年1月22日合作在《自然》报导机械门控Piezo通道家族另一成员 — Piezo1离子通道的高分辨率三维结构和分子机制后,在该研究领域的又一重要研究成果,不仅有力推动了对Piezo通道家族的结构基础和分子机制的理解,也为基于Piezo通道的药物开发奠定了坚实的基础。《自然》同时刊发了评论员文章对该研究作了高度评价。

  触觉作为五感之一,不仅赋予我们感知握手、轻抚、亲吻等愉悦性触碰以维持正常社交行为的能力,而且承担着人类能够熟练使用各种工具譬如触摸屏手机或鼠标的生物学基础。而在组织损伤或炎症等病理情况下,触觉感知功能的异常可以导致严重的机械超敏痛(又称触摸痛)。譬如,癌症或关节炎病患者会经常遭遇类似穿衣服或行走等轻微触碰所带来的剧烈疼痛,严重影响个体健康与生活质量。另外,自闭症患者通常显示较常人更为敏感的触觉感知能力,最近的研究提示这一触觉功能的异常可能是导致自闭症的重要病因之一。

  触觉感知源于表达在初级感觉神经元上的机械力感知分子受体-机械门控阳离子通道对机械力刺激的响应,从而引起细胞外的阳离子例如钠离子和钙离子流入细胞,进而诱发神经细胞兴奋和信号传递,最终导致触觉的产生。2010年,美国斯克利普斯研究所的Ardem Patapoutian教授课题组鉴定发现,Piezo基因家族编码哺乳动物机械门控阳离子通道的必要成分。2012年,在Patapoutian教授课题组从事博士后研究的肖百龙博士与其同事合作在《自然》期刊报道Piezo蛋白构成机械门控阳离子通道的核心孔道组成成分,从而首次确立了机械门控Piezo通道这一全新离子通道家族类型。

  随后的研究证明Piezo2介导哺乳动物的触觉、本体觉(譬如体位平衡感知)以及内脏觉(譬如肺的收缩扩张以及血压感知和心率调节)的机械感知,而Piezo1则被发现在多种细胞组织中承担机械力分子受体的功能参与调控血管及淋巴管发育、血压稳态、骨的生成与重塑等诸多功能。Piezo基因的遗传突变被发现引起多种人类遗传疾病,包括红细胞干瘪综合症、淋巴管水肿、远端关节挛缩症、触觉缺失症等。携带Piezo2功能缺失型突变的人体不仅表现出触觉以及本体感觉缺陷,且丧失病理状态下的机械超敏痛感知,确证Piezo2通道可以作为开发新型镇痛药物的重要靶点。

  ▲图a,Piezo2的冷冻电镜示意图,其中每一个亚基用不同的颜色表示;b,三个向外扭曲的跨膜桨叶区围成的穹顶状结构示意图,绿色虚线所标记的为跨膜区;c,含38次跨膜区的Piezo2拓扑结构示意图;d,Piezo2一个亚基结构组成展示图;e,Piezo2中心孔道模块区;f,由IH-CTD围绕而成的Piezo2与Piezo1的中心孔道区;g,Piezo2与Piezo1中心孔道区的半径分布图,包含跨膜区开关闸门(TM gate)以及胞内区狭窄颈部(Constriction neck);h,缺失帽子区的Piezo1与Piezo2突变体缺失机械刺激诱发的电流。

  肖百龙博士课题组综合利用生化结构、电生理膜片钳、高通量药物筛选、转基因小鼠模型以及人类遗传学等多学科研究手段,聚焦解答机械门控Piezo通道如何将机械力刺激转化为电化学信号,以及其如何利用自身机械敏感性和通道特性来决定相关的生理病理功能这两方面的关键科学问题,并致力于开发以Piezo通道为靶点的新型药物及技术。迄今以通讯作者(含共同)身份在Piezo通道的三维结构解析、分子机制揭示、小分子药物发现、以及生理病理功能探索等方面取得了系列重要研究成果。

  在最新的这篇《自然》论文中,依托两个课题组之前对Piezo1通道进行冷冻电镜结构解析所建立的技术体系和研究平台,研究人员经过6年多的不懈努力,克服全长2822个氨基酸的鼠源Piezo2表达量极低的困难,通过对蛋白纯化条件以及冷冻电镜制样方法的不断摸索和优化,最终获得了性质稳定均一的蛋白样品用于冷冻电镜数据采集。在结构解析过程中,由于Piezo蛋白具有极高的柔性,为解析高分辨率结构带来很大的挑战。研究人员将Piezo2数据颗粒进行对称性扩展,并切割成三个部分独立计算,得到高分辨的各部分结构后再拼合成完整结构,克服了柔性问题,最终获得了整体分辨率为3.6-3.8埃的三维结构(图a),并成功解析了Piezo2蛋白包含38次跨膜螺旋区的完整拓扑结构(图c, d)。

  研究者们发现,Piezo2通道的整体三维结构和之前所解析的Piezo1通道类似,以同源三聚体形式组装成包含114次跨膜螺旋区的三叶螺旋桨状结构(图a-d),确立了Piezo通道是迄今已知的含跨膜次数最多的一类大型膜蛋白。其中第1到第36次跨膜螺旋区(TM1-36)依次以4次跨膜螺旋区为单元组装成共9个重复性的结构单元,这一特征性结构单元之前以清华大学英文缩写命名为THU (Transmembrane Helical Unit,跨膜螺旋单元) (图c, d)。非常有意思的是,这9个THU串联组成一个特殊的非平面的跨膜“桨叶”(Blade)结构,导致三个桨叶围合成一个直径28nm而深度10nm的往细胞内侧凹陷的穹顶状结构(图b)。研究者推测这一穹顶状Piezo蛋白-细胞膜系统可能是Piezo通道具有高度机械敏感性的结构基础之一。

  位于中心孔道区域上方的胞外“帽子”(Cap)结构域完全嵌在穹顶底部 (图a, b),而细胞内侧则有一根9nm长的长杆区结构(Beam)将桨叶的外周端连接到中心孔道的胞内部位 (图a-e)。第38次跨膜螺旋(取名为inner helix,IH)和尾随的胞内羧基端结构域(CTD)围绕形成中心孔道部分(图e, f),包含位于跨膜区和胞质区的狭窄颈部(图f, g),提示该Piezo通道结构处于关闭态。Piezo2与Piezo1的结构比较表明,跨膜区狭窄位点在Piezo2结构中处于完全关闭状态,而在Piezo1中则处于开放状态(图f, g)。据此,研究者提出该狭窄位点形成跨膜区的开关闸门(TM gate) (图f, g)。进一步结构分析和电生理功能实验表明该闸门可能通过顶端帽子结构域的旋转来控制(图h)。而由于位于胞质区的狭窄颈部(cytosolic constriction neck)在Piezo1和Piezo2结构中都处于关闭状态(图f, g),因此该位点是否作为另一个开关闸门而被桨叶和长杆结构的构象变化所控制还有待进一步证明。

  肖百龙博士表示,通过与李雪明博士课题组的通力合作,从Piezo1到Piezo2结构的解析不仅有力推动了对哺乳动物机械门控Piezo通道的结构和机械门控机制的理解,也为探究Piezo通道的功能失常所引发的人类疾病机理及其相关药物的鉴定发现提供了坚实的基础。依托其课题组已经建立的Piezo通道的全方位研究平台和学术积累,他们将致力于Piezo通道的药物发现与开发工作。

  清华大学药学院肖百龙博士和生命科学学院李雪明博士为本论文共同通讯作者。清华大学药学院博士后王莉、生命学院2015级博士生周珩、2013级博士生张明敏及2016级博士生刘文豪为并列第一作者。此外,肖百龙课题组的博士生邓团、赵前程(现耶鲁大学博士后)、李祎然也参与了部分研究工作。清华大学冷冻电镜平台的雷建林博士为冷冻电镜数据收集提供了帮助。


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