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科技動(dòng)態(tài)

Nature |?上海有機所用機械力激活OSCA/TMEM63發(fā)現一種全新“蛋白-磷脂”離子孔道

發(fā)布時(shí)間:2024-04-04中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心、生命過(guò)程小分子調控全國重點(diǎn)實(shí)驗室

機械力信號在生活中無(wú)處不在,參與介導多種感知覺(jué)的形成,比如手指觸摸書(shū)本產(chǎn)生觸覺(jué),聲波傳遞到耳內引起震動(dòng)產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。這些機械力信號的感知與傳導主要通過(guò)機械力敏感離子通道來(lái)完成。機械力信號能夠激活這些通道,從而允許離子通過(guò),將機械力信號轉化為電化學(xué)信號,通過(guò)下游信號傳導介導多種重要的生理活動(dòng)。OSCA/TMEM63家族是目前已知的最大的一類(lèi)機械力敏感離子通道家族,在植物和動(dòng)物界中均承擔著(zhù)重要的生理功能,比如逆境響應、聽(tīng)覺(jué)、渴覺(jué)及濕度感知等1-5。然而,由于在結構解析的過(guò)程中模擬機械力環(huán)境非常困難,OSCA/TMEM63家族蛋白的機械力激活的分子機制尚不明確,是機械力通道研究領(lǐng)域的一大技術(shù)難點(diǎn)。

2024年4月3日,中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心、生命過(guò)程小分子調控全國重點(diǎn)實(shí)驗室張一小課題組聯(lián)合澳大利亞Vitor Chang心臟研究所Charles Cox課題組以及澳大利亞國立大學(xué)Ben Corry課題組在Nature上發(fā)表了題為Mechanical activation opens a lipid-lined pore in OSCA ion channels的文章。研究團隊通過(guò)將OSCA蛋白組裝到納米磷脂盤(pán)及脂質(zhì)體中模擬機械力環(huán)境,捕捉到了OSCA蛋白激活態(tài)的三維構象,闡釋了其機械力激活的分子機制,并發(fā)現了一種全新的有磷脂排列的離子孔道組成形式(圖1),為機械力通道的研究提供了全新的范式,也為機械力感知異常相關(guān)藥物研發(fā)提供了理論和結構基礎。


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1. OSCA受機械力激活動(dòng)態(tài)變化過(guò)程


本文的主要亮點(diǎn)包括:

1.通過(guò)多種不同的策略來(lái)捕捉OSCA蛋白激活態(tài)的三維構象;(圖2)

2. 利用納米磷脂盤(pán)發(fā)展了一種簡(jiǎn)單易用的“l(fā)ipid titration”機械力模擬方法來(lái)進(jìn)行“force-resolved” 的結構研究;

3. 實(shí)現了分子量小于200kDa的膜蛋白在脂質(zhì)體中的高分辨三維結構解析;

4. 揭示了不同磷脂在OSCA機械力感知過(guò)程中的重要作用;

5. 發(fā)現細胞膜中的磷脂可以通過(guò)其headgroup形成“l(fā)ipid wall”來(lái)參與離子孔道的組成;

6. 對結構相似的TMC1及TMEM16家族蛋白的分子機制研究有很大的啟發(fā)。

在本文的研究中,作者首先嘗試將OSCA1.2蛋白組裝在納米磷脂盤(pán)中(nanodiscs,由膜支架蛋白圍成的磷脂雙分子層小圓盤(pán))并使用β-環(huán)糊精抽提其中的脂質(zhì)來(lái)引起剩余脂質(zhì)的擴張,進(jìn)而在蛋白周?chē)a(chǎn)生拉力環(huán)境。在冷凍電鏡的結構解析過(guò)程中,作者發(fā)現蛋白顆粒高度動(dòng)態(tài),雖然能夠觀(guān)察到與關(guān)閉狀態(tài)不同的構象變化,但是難以獲取清晰的高分辨率三維結構,推測是與環(huán)糊精從每個(gè)nanodisc中抽取出來(lái)的脂質(zhì)含量不同有關(guān)。此時(shí),作者猜想, 如果從一開(kāi)始組裝nanodiscs的時(shí)候,就用不同量的磷脂來(lái)組裝,這樣更容易控制每個(gè)nanodisc中磷脂的含量,從而可能調節蛋白周?chē)Φ拇笮?。通過(guò)這種“l(fā)ipid titration”的方法,作者對蛋白構象變化進(jìn)行了“滴定”,捕捉到了OSCA1.2單側激活的構象。但是在這個(gè)結構中,有兩根跨膜螺旋密度缺失,并且離子孔道面向細胞膜有很大的開(kāi)口,因此無(wú)法確認離子通過(guò)路徑。接下來(lái),作者通過(guò)電生理實(shí)驗驗證了曲率變化可以激活OSCA蛋白,而在之前的研究中,肖百龍教授團隊成功的用脂質(zhì)體與蛋白之間的曲率錯配來(lái)捕捉Piezo1蛋白在激活態(tài)的三維結構,提示了脂質(zhì)體可以用于其他機械力通道的研究6。但是OSCA蛋白總分子量只有175kDa,并且大部分包埋在細胞膜當中,給結構解析帶來(lái)了很大困難。作者通過(guò)樣品的優(yōu)化,成功將OSCA1.2組裝到大小較為均一的脂質(zhì)體中,并在inside-in的取向中捕捉到了OSCA蛋白完全激活的高分辨三維結構。通過(guò)結構分析和電生理實(shí)驗,揭示了OSCA蛋白機械力感知的關(guān)鍵元件,以及發(fā)現二聚化對于穩定OSCA蛋白的激活狀態(tài)十分重要??墒窃诖碎_(kāi)放構象中,雖然所有的跨膜螺旋都被清晰的解析,但離子孔道仍舊向細胞膜側有較大的開(kāi)口。有意思的是,在電鏡密度圖中作者發(fā)現該開(kāi)口剛好被一段由細胞膜磷脂組成的lipid wall所覆蓋。結合分子動(dòng)力學(xué)模擬和電子密度特征,作者發(fā)現該lipid wall主要由磷脂的head group構成,而電生理實(shí)驗也發(fā)現改變head group的電性特征,會(huì )影響OSCA1.2的離子選擇性,進(jìn)一步支持這一全新的“proteo-lipidic pore”。同時(shí),作者還在OSCA3.1蛋白中發(fā)現了多個(gè)穩定結合的lipids,結構研究和電生理實(shí)驗均發(fā)現通過(guò)突變移除一個(gè)interlocking lipid能夠引起OSCA3.1的自發(fā)開(kāi)放,提示了磷脂在機械力感知過(guò)程中的重要作用。

2. 通過(guò)不同的策略捕捉OSCA蛋白激活態(tài)的三維構象并發(fā)現新的離子孔道組成形式

總的來(lái)說(shuō),本篇文章中作者通過(guò)多種策略模擬機械力環(huán)境,結合冷凍電鏡、電生理、分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段,首次揭示了OSCA/TMEM63家族蛋白在機械力激活狀態(tài)下一種全新的“蛋白-磷脂”離子孔道組成形式。由于OSCA/TMEM63家族蛋白與介導聽(tīng)覺(jué)形成的TMC1機械力敏感通道及具有離子通道和脂質(zhì)翻轉酶活性的TMEM16家族蛋白在結構上具有高度相似性,該研究也對這些結構相似家族蛋白的分子機制有很大的啟發(fā)。此外,該研究發(fā)展了新的基于nanodiscs的機械力環(huán)境模擬方法,同時(shí)擴展了小膜蛋白在脂質(zhì)體中進(jìn)行結構解析的可行性,為包括機械力通道在內的其他膜蛋白研究提供了新的思路。

中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生韓瑤瑤,澳大利亞Victor Chang心臟研究所博士后周子晶與澳大利亞國立大學(xué)博士后金瑞濤為本文共同第一作者。張一小研究員,Charles Cox教授與Ben Corry教授為本文共同通訊作者。上??萍即髮W(xué)孫亞?wèn)|研究員,浙江大學(xué)楊巍教授、岳曉敏研究員,上海有機所生物與化學(xué)交叉中心陳忠文研究員以及本文其他作者也對做出了重要貢獻。該工作得到了科技部科技創(chuàng )新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目、國家自然科學(xué)基金海外優(yōu)青項目、中國科學(xué)院上海分院青年英才培育計劃、上海腦中心求索杰出青年項目及上海市科委的資助。

張一小研究員長(cháng)期招聘細胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和結構生物學(xué)方向博士后和科研助理,歡迎申請。對于優(yōu)秀的博士后人選,將推薦申請中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心 “博士后獨立PI培育”計劃 (https://www.ircbc.ac.cn/view.do?id=2747)。


原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07256-9


參考文獻:

  1. Yuan,F. et al. OSCA1 mediates osmotic-stress-evoked Ca2+ increases vital for osmosensing in Arabidopsis. Nature 514,367-371 (2014).
  2. Murthy,S. E. et al. OSCA/TMEM63 are an evolutionarily conserved family of mechanically activated ion channels. Elife 7,e41844 (2018).
  3. Du,H. et al. The cation channelTMEM63Bis an osmosensor required for hearing. Cell Rep 31,107596 (2020).
  4. Li,S. et al. Humidity response in Drosophila olfactory sensory neurons requires the mechanosensitive channel TMEM63. Nature Communications 13,3814 (2022).
  5. Yang,G. et al.TMEM63Bchannel is the osmosensor required for thirst drive of interoceptive neurons.”?Cell discovery?(2024).
  6. Yang,X. et al. Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes.?Nature 604(7905):377-383 (2022).

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