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科学家们发现了压力感应压电蛋白如何工作的基础知识

2019-08-22 08:55:13 • 来源：

来自威尔康奈尔医学和洛克菲勒大学的一组科学家已经阐明了压电蛋白的基本机制，压电蛋白在体内作为传感器，用于机械刺激，如触觉，膀胱充盈和血压。这一发现是基础科学的一项壮举，也为压电蛋白在人类疾病中的作用和潜在的新治疗策略开辟了许多新的研究途径。

科学家们发现了压力感应压电蛋白如何工作的基础知识

在8月21日出版于“ 自然”杂志上的这项研究中，科学家们利用先进的显微镜技术在静止和施加机械力的过程中对Piezo1蛋白进行成像。他们证实了这种复杂蛋白质的结构，并且基本上显示了它如何将机械刺激转化为电信号。

“我们的分析显示，Piezo1嵌入细胞膜的张力可以使蛋白质的结构变平并扩大，”Weill Cornell Medicine麻醉生理学和生物物理学教授Simon Scheuring博士说。Scheuring博士和他的实验室与洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授Roderick MacKinnon博士的实验室合作进行了这项研究。MacKinnon博士是2003年诺贝尔化学奖的共同获奖者，因为他的工作决定了离子通道蛋白的结构和机制。

Piezo1和Piezo2是非常大且复杂的蛋白质，具有独特的结构。它们嵌入某些细胞类型的膜内，其功能是将细胞上的机械力转换成改变细胞活性的电信号。Piezo1蛋白质例如在膀胱细胞中起作用以检测膀胱何时充满，并且在血管内衬细胞中检测并帮助调节血压的变化。Piezo2蛋白在皮肤和关节的感觉神经末梢中起作用，有助于调节触觉，疼痛和本体感觉的感觉 - 一种肢体如何排列的感觉。

Piezo1的Triskelion建筑。图片来源：威尔康奈尔医学院

近年来，成像技术的进步使得科学家们能够确定Piezo1的基本结构--Piezo2被认为主要分享这种结构。从上面看，这种结构具有三臂，螺旋桨或“triskelion”外观。

从侧面看，它看起来像一个嵌入细胞膜的浅碗，其中心有一个离子通道。后者在打开时允许钙和其他带正电荷的离子流入细胞。

机械力打开离子通道的基本机制仍然是神秘的。但在新的研究中，Scheuring博士和MacKinnon博士及其同事，包括主要作者，麻醉学博士后研究员Yi-Chih Lin博士，能够更清楚地了解它的工作原理。

他们将低温电子显微镜与一种名为高速原子力显微镜的不太知名的技术相结合，该技术基本上通过用超灵敏机械探针感觉其表面来产生物体的图像。他们用这些方法表明，Piezo1是一种弹性结构，通常会使细胞膜在其所处的位置弯曲，但在例如对细胞膜施加机械力时会变平。

“当膜张力增加时，Piezo1的结构变平并伸展以占据更大的区域，从而打开离子通道，”Scheuring博士说。

他指出，其他可能会使Piezo1结构拉伸和变平的刺激，例如从内部或在外部区域上从细胞外部称为CED的拉力，原则上可以打开离子通道 - 使其成为可能适用于各种细胞类型和生理功能的适用多功能机制。

此外，鉴于这种广泛的细胞类型 - 包括肺，膀胱，肠和胰腺在内的器官，以及血管和感觉神经系统 - 基本的压电蛋白机制的发现可能导致新的方式了解和治疗许多人类疾病。举一个例子，Scheuring博士说，如果膜细胞衬血管含有过量的胆固醇，他们将变得更硬，在嵌入式压电1个蛋白增加的背景张力和潜在干扰这些蛋白，以检测和帮助调节能力正常血压。

“我们的发现导致了很多关于Piezo蛋白在疾病中的作用的预测，我们和其他人现在可以去调查，”他说。

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