
Nature |?上海有機(jī)所用機(jī)械力激活OSCA/TMEM63發(fā)現(xiàn)一種全新“蛋白-磷脂”離子孔道
機(jī)械力信號(hào)在生活中無(wú)處不在,參與介導(dǎo)多種感知覺的形成,比如手指觸摸書本產(chǎn)生觸覺,聲波傳遞到耳內(nèi)引起震動(dòng)產(chǎn)生聽覺。這些機(jī)械力信號(hào)的感知與傳導(dǎo)主要通過(guò)機(jī)械力敏感離子通道來(lái)完成。機(jī)械力信號(hào)能夠激活這些通道,從而允許離子通過(guò),將機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào),通過(guò)下游信號(hào)傳導(dǎo)介導(dǎo)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機(jī)械力敏感離子通道家族,在植物和動(dòng)物界中均承擔(dān)著重要的生理功能,比如逆境響應(yīng)、聽覺、渴覺及濕度感知等1-5。然而,由于在結(jié)構(gòu)解析的過(guò)程中模擬機(jī)械力環(huán)境非常困難,OSCA/TMEM63家族蛋白的機(jī)械力激活的分子機(jī)制尚不明確,是機(jī)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(guó)科學(xué)院上海有機(jī)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(diào)控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(tuán)隊(duì)通過(guò)將OSCA蛋白組裝到納米磷脂盤及脂質(zhì)體中模擬機(jī)械力環(huán)境,捕捉到了OSCA蛋白激活態(tài)的三維構(gòu)象,闡釋了其機(jī)械力激活的分子機(jī)制,并發(fā)現(xiàn)了一種全新的有磷脂排列的離子孔道組成形式(圖1),為機(jī)械力通道的研究提供了全新的范式,也為機(jī)械力感知異常相關(guān)藥物研發(fā)提供了理論和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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圖1. OSCA受機(jī)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(gòu)象;(圖2)
2. 利用納米磷脂盤發(fā)展了一種簡(jiǎn)單易用的“l(fā)ipid titration”機(jī)械力模擬方法來(lái)進(jìn)行“force-resolved” 的結(jié)構(gòu)研究;
3. 實(shí)現(xiàn)了分子量小于200kDa的膜蛋白在脂質(zhì)體中的高分辨三維結(jié)構(gòu)解析;
4. 揭示了不同磷脂在OSCA機(jī)械力感知過(guò)程中的重要作用;
5. 發(fā)現(xiàn)細(xì)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(duì)結(jié)構(gòu)相似的TMC1及TMEM16家族蛋白的分子機(jī)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中(nanodiscs,由膜支架蛋白圍成的磷脂雙分子層小圓盤)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(kuò)張,進(jìn)而在蛋白周圍產(chǎn)生拉力環(huán)境。在冷凍電鏡的結(jié)構(gòu)解析過(guò)程中,作者發(fā)現(xiàn)蛋白顆粒高度動(dòng)態(tài),雖然能夠觀察到與關(guān)閉狀態(tài)不同的構(gòu)象變化,但是難以獲取清晰的高分辨率三維結(jié)構(gòu),推測(cè)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(diào)節(jié)蛋白周圍拉力的大小。通過(guò)這種“l(fā)ipid titration”的方法,作者對(duì)蛋白構(gòu)象變化進(jìn)行了“滴定”,捕捉到了OSCA1.2單側(cè)激活的構(gòu)象。但是在這個(gè)結(jié)構(gòu)中,有兩根跨膜螺旋密度缺失,并且離子孔道面向細(xì)胞膜有很大的開口,因此無(wú)法確認(rèn)離子通過(guò)路徑。接下來(lái),作者通過(guò)電生理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)成功的用脂質(zhì)體與蛋白之間的曲率錯(cuò)配來(lái)捕捉Piezo1蛋白在激活態(tài)的三維結(jié)構(gòu),提示了脂質(zhì)體可以用于其他機(jī)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(xì)胞膜當(dāng)中,給結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和電生理實(shí)驗(yàn),揭示了OSCA蛋白機(jī)械力感知的關(guān)鍵元件,以及發(fā)現(xiàn)二聚化對(duì)于穩(wěn)定OSCA蛋白的激活狀態(tài)十分重要??墒窃诖碎_放構(gòu)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(xì)胞膜側(cè)有較大的開口。有意思的是,在電鏡密度圖中作者發(fā)現(xiàn)該開口剛好被一段由細(xì)胞膜磷脂組成的lipid wall所覆蓋。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和電子密度特征,作者發(fā)現(xiàn)該lipid wall主要由磷脂的head group構(gòu)成,而電生理實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了多個(gè)穩(wěn)定結(jié)合的lipids,結(jié)構(gòu)研究和電生理實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)通過(guò)突變移除一個(gè)interlocking lipid能夠引起OSCA3.1的自發(fā)開放,提示了磷脂在機(jī)械力感知過(guò)程中的重要作用。

圖2. 通過(guò)不同的策略捕捉OSCA蛋白激活態(tài)的三維構(gòu)象并發(fā)現(xiàn)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(jī)械力環(huán)境,結(jié)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(jī)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(dǎo)聽覺形成的TMC1機(jī)械力敏感通道及具有離子通道和脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶活性的TMEM16家族蛋白在結(jié)構(gòu)上具有高度相似性,該研究也對(duì)這些結(jié)構(gòu)相似家族蛋白的分子機(jī)制有很大的啟發(fā)。此外,該研究發(fā)展了新的基于nanodiscs的機(jī)械力環(huán)境模擬方法,同時(shí)擴(kuò)展了小膜蛋白在脂質(zhì)體中進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析的可行性,為包括機(jī)械力通道在內(nèi)的其他膜蛋白研究提供了新的思路。
中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)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(guó)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。上海科技大學(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(jī)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(duì)做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金海外優(yōu)青項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院上海分院青年英才培育計(jì)劃、上海腦中心求索杰出青年項(xiàng)目及上海市科委的資助。
張一小研究員長(zhǎng)期招聘細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向博士后和科研助理,歡迎申請(qǐng)。對(duì)于優(yōu)秀的博士后人選,將推薦申請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心 “博士后獨(dú)立PI培育”計(jì)劃 (https://www.ircbc.ac.cn/view.do?id=2747)。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07256-9
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