Piezo家族離子通道感知機械力環境變化，將機械力信號轉化為下游電化學信號，介導多種重要的生理活動，包括觸覺、痛覺的感知、淋巴管發育、血壓調節、神經軸突再生等。它的功能的異常會導致觸覺超敏痛、淋巴管發育不良、神經退行性疾病等。而圍繞Piezo家族蛋白功能機制的研究，仍存在諸多未解之謎。例如，Piezo蛋白自身能夠感知和傳遞機械力信號，但研究發現與異源表達的Piezo蛋白相比，在很多細胞系中內源表達的Piezo表現出慢失活的門控特性（slow inactivation）。這種門控特性差異產生的原因和生理意義尚不清楚，研究推測與蛋白的相互作用或膜局部的磷脂組成等有關。由于許多離子通道都存在與之相結合的附屬亞基來調控其亞細胞定位和門控特性，科研人員致力于尋找能夠調控Piezo蛋白功能的附屬亞基。附屬亞基的定義通常為自身并不參與離子孔道形成 、與孔道蛋白有直接和穩定的相互作用、在異源表達系統中能夠調控通道特性、在內源細胞中能夠調控通道門控特性。盡管科學家做出了努力，但目前尚未發現能夠滿足以上四個標準的Piezo附屬亞基，阻礙了對Piezo蛋白不同門控特性分子機制的研究。

8月18日，澳大利亞Victor Chang心臟研究所Charles Cox課題組與中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心張一小課題組，在《科學》（Science）上，發表了題為《MyoD家族抑制蛋白作為Piezo通道的輔助亞基》（MyoD-family inhibitor proteins act as auxiliary subunits of Piezo channels）的研究文章。該研究首次報道了MyoD家族抑制蛋白MDFIC和MDFI是Piezo1/2的結合蛋白，通過結構解析和功能研究發現MDFIC通過C末端一段高度脂質化修飾的兩親性α螺旋從側面插向Piezo的孔道模塊，并證實該α螺旋能夠引起外源和內源Piezo1/2的慢失活過程。該研究鑒定了首個Piezo蛋白附屬亞基，解釋了在許多細胞類型中觀察到的內源Piezo通道截然不同的門控特性，為Piezo通道功能機制的研究提供了全新方向。

本研究利用CRISPR/Cas9編輯人真皮成纖維細胞?(hDF)?中的Piezo1（在多種組織來源的成纖維細胞中Piezo1表現出較慢的失活特性）,?通過三種不同的策略來鑒定Piezo1結合蛋白。研究經過嚴格的質譜數據分析，確定三組中均存在但在各自的陰性對照中不存在的Piezo1相互作用蛋白。研究僅鑒定出兩種蛋白質——第一種是Piezo1，第二種是研究較少的轉錄調節因子MDFIC（圖1）。研究通過免疫共沉淀在HEK293T細胞中驗證了MDFIC與Piezo1/2之間的相互作用。

為探究MDFIC與Piezo的相互作用模式，科研人員利用冷凍電鏡單顆粒三維重構，解析了Piezo1-MDFIC復合物的高分辨率三維結構，發現了MDFIC通過C末端一段富含半胱氨酸的兩親性α螺旋從側面插向Piezo的孔道模塊。該α螺旋橫躺于磷脂雙分子層內側，與Piezo蛋白的多個氨基酸存在相互作用。研究顯示，在Piezo與MDFIC上均有能夠引起淋巴系統發育異常的突變位于該相互作用界面上，提示了Piezo-MDIFC復合物在功能上的重要性（圖2）。

由于MDFIC結合在Piezo的孔道模塊，研究推測MDFIC可能會調控Piezo的門控特性。通過全細胞膜片鉗，研究證實MDFIC和MDFI能夠顯著引起Piezo1/2通道的慢失活門控特性。該門控特性是由與Piezo相互作用的最C末端的兩親性α螺旋所介導，缺失該α螺旋的MDFIC則不能引起Piezo的慢失活。同時，研究驗證了該α螺旋對于內源Piezo的慢失活同樣重要（圖3）。

進一步，研究初步探討了MDIFC引起Piezo慢失活的分子機制。由于在Piezo1-MDFIC復合物冷凍電鏡密度中，位于細胞膜一側的5個半胱氨酸上均具有多余的密度，研究推測其為脂質化修飾。通過酰基生物素交換實驗，研究證實MDFIC的C末端存在棕櫚酰化修飾?？蒲腥藛T研究了MDFIC脂質化修飾對Piezo門控特性的影響。研究將5個Cys突變為5個Ala或者5個Ser之后，缺少脂質化修飾的MDFIC仍能夠與Piezo相結合，但無法引起Piezo的慢失活，提示MDFIC的脂質化修飾對于Piezo的門控特性具有重要的調節作用。通過分子動力學模擬，研究發現MDFIC上的脂質化修飾能夠與在Piezo失活過程中起到關鍵作用的L2475相互作用，可能介導了MDFIC對于Piezo蛋白的調控（圖4）。

綜上，本文鑒定了首個Piezo蛋白附屬亞基MDFIC，通過結構解析和功能研究，揭示了MDFIC介導Piezo慢失活的分子機制。研究工作得到科技部科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目、國家自然科學基金、中國科學院上海分院青年英才培育計劃、上海腦科學與類腦研究中心“求索杰出青年”計劃和上海市科學技術委員會等的支持。

論文鏈接

圖1.?親和捕獲質譜鑒定MDFIC是Piezo結合蛋白

圖2.?Piezo1-MDFIC冷凍電鏡三維結構

圖3.?MDFIC/MDFI調控Piezo蛋白的門控特性

圖4. MDFIC的脂質化修飾參與Piezo門控調節