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科研动态|闫致强课题组与合作者发表研究:机械力敏感离子通道NompC受压开启的分子机制

2021.06.16

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2021年6月8日,eLife 期刊在线发表了深圳湾实验室闫致强课题组与北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心、北大-清华生命科学联合中心宋晨课题组合作文章,“The Push-to-Open Mechanism of the Tethered Mechanosensitive Ion Channel NompC”。该研究通过分子动力学模拟和电生理记录发现机械力敏感离子通道NompC受到机械压力刺激时可开启,但对机械拉力不敏感,从而确定了NompC受压开启的门控机制,并从分子层面给出了直观的力学模型及相关物理参数。该机制模型可部分解释果蝇神经细胞响应外界压力的分子机制,对于理解果蝇的方向感,平衡感,触觉,听觉的感知机制具有重要意义。该工作正式发表前已在预印本网站bioRxiv上受到了领域同行的广泛关注,并先后在Annual Review of Neuroscience Nature 期刊的研究进展综述中被引用1,2



2013年,还在詹裕农实验室的闫致强博士和张伟博士(现作为独立PI就职于清华大学)发现TRP家族离子通道NompC是果蝇介导触觉的机械力敏感离子通道,这是第一个鉴定的触觉受体分子3。两年后,张伟博士进一步发现NompC N端的锚蛋白重复区(Ankyrin Repeats,AR区)在门控中的重要作用4。然而,由于过去该通道蛋白分子结构的欠缺及研究方法上的局限性,NompC受何种机械力刺激开启以及通道开启的具体分子机制尚不明确4,5,6。2017年,程亦凡教授组和詹裕农教授组合作,利用冷冻电镜解析了NompC的结构,显示其胞内锚蛋白重复区可能作为“弹簧”或“铰链”与胞内细胞骨架连接(图1),从而感受细胞形变导致的机械力变化7。最近,宋晨课题组和闫致强课题组合作利用分子动力学模拟和电生理记录解析了NompC的门控机制,尤其发现NompC激活具有对应细胞膜“推或拉”明显的方向特异性,方向是力的根本特性,此发现对其他机械门控通道研究有提示意义。大约10年时间,NompC在触觉的研究由此从行为推进到了原子水平。


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图1 机械力敏感离子通道NompC位于黑腹果蝇机械力敏感神经细胞末端,可能利用锚蛋白重复区连接微管和细胞膜。通过分子动力学模拟和电生理记录发现:NompC受到外界挤压力(Compress)刺激时,其离子通道最窄处逐渐变宽,使钠,钾等阳离子得以通过离子通道。


基于NompC的冷冻电镜结构,宋晨研究组利用全原子分子动力学模拟研究了NompC离子通道对于两种基本类型外界机械力刺激的响应,发现NompC离子通道在无外力(Free)和受到远离细胞膜方向的拉伸力(Stretch)时,通道保持关闭状态;当对AR区施加指向细胞膜方向的挤压力(Compress)时,离子通道逐渐由关闭状态向开启状态转变(图1),钠、钾等阳离子可以在跨膜势存在的条件下稳定连续地通过离子通道。理论计算得到的结论需要有进一步的实验验证以说明生理状态下NOMPC的开放特性,因此闫致强课题组开始尝试从生理层面检验该结论。由于细胞贴附(cell-attached)记录模式下的机械刺激一般使用负压,只能模拟AR拉伸而无法模拟AR压缩对NOMPC开放情况的影响;此外先前针对NOMPC的负压记录均使用了小电阻电极,此条件下膜的弯曲对NOMPC的影响大大超过了AR伸缩对NOMPC的影响。为了解决这个问题,闫致强课题组创新性地在细胞贴附记录模式下,使用了大电阻电极来减小膜的弯曲效应,并利用正压刺激来模拟AR的拉伸。经过大量的电生理验证后,证实了果蝇细胞表达的NompC在AR区被纵向压缩(Compress),即受到外界压力刺激时通道能够激活,并且反之则不能(图1)。此外,闫致强课题组还利用外面向外(outside-out)以及内面向外(inside-out)的记录模式进一步证实了NOMPC对机械力响应的各向异性。


在确立了NOMPC开放的条件后,宋晨课题组进一步探究了NompC受挤压时通道开启的具体门控过程。分子动力学模拟轨迹显示,压缩AR区时,TRP区域作为机械力从AR区向蛋白孔道部分传递的关键结构域,相对于平衡结构展现出明显的上翘(平行膜侧视角)和顺时针旋转(胞内视角)的趋势(图1&图2)。随后分析了在机械力传播路径节点上形成氢键的关键残基对,闫致强课题组通过对这些关键位点突变并进行电生理记录,发现大部分这些氨基酸的单突变能够在不显著影响蛋白上膜量的情况下大幅减小甚至消除NOMPC的机械明暗电流,证实了这些氨基酸残基对于机械力传导的重要性。由于在同属于TRP家族的TRPV1蛋白结构中,TRP结构域的顺时针旋转及上翘也被认为与通道开启相关,表明TRP结构域的上述构象变化可能是TRP家族中类似蛋白的保守的门控机制。


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图2 机械力敏感离子通道NompC受压开启的力学模型示意图


基于上述结果,作者提出了NompC离子通道受压开启的力学模型。当细胞受到挤压或体积收缩时,NompC中两端与细胞骨架和LH区相连的AR区受到挤压,AR区作为门控弹簧产生对LH区的推力,可驱动NompC的TRP区产生一定程度的旋转和倾斜,并进一步牵引跨膜螺旋S6的协同运动从而打开离子通道。同时,由于AR弹簧区的特殊螺旋结构,其收到挤压时还会产生使LH及TRP区顺时针旋转(胞内视角)的力矩,也会促进孔道的开启。上述结论,与之前Grabe课题组通过连续体力学方法得到的结论基本相符8这表明,与之前大家熟知的受细胞体积膨胀及膜表面张力刺激开启的机械力敏感离子通道不同,NompC可对机械压力产生独特的门控响应,从而可以使细胞感知体积的压缩


北京大学前沿交叉学科研究院博士后王洋以及复旦大学生命科学学院硕士生郭逸峰为本文的共同第一作者。北京大学宋晨研究员以及深圳湾实验室闫致强研究员为本论文的共同通讯作者。闫致强实验室的硕士生李冠鸾参与了该项研究的实验验证工作并做出重要贡献;宋晨研究组的博士生刘春宏、王磊,以及张爱华博士参与了该项研究的理论计算工作并做出重要贡献。本工作得到了国家自然科学基金,科技部重点研发计划,上海高校特聘教授(东方学者)计划,上海市科技重大专项,上海市青年科技启明星计划,北大-清华生命科学联合中心等方面的资助和支持。北大-清华生命科学联合中心的“北极星”高性能计算平台以及国家超级计算天津中心“天河II”高性能计算平台为该研究提供了部分计算资源。


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闫致强 

资深研究员


闫致强教授在感觉神经生物学领域长期探索,以第一/通讯作者(含共同)在Nature、Neuron、Nature Structural & Molecular Biology Cell Reports 等国际高水平杂志发表多篇论文。获2项国家科技部重大研究计划、2项国家自然科学基金委面上项目支持。

在听觉转导方面,发现TMC1/2是机械力门控通道,证明其是领域中寻找40余年的听力转导通道,该文章被选为Neuron 同期封面,并被Cell、Annual Review of Neuroscience 等综述高度评价;证明与TMC1/2蛋白有类似蛋白结构的OSCA为机械力门控离子通道并提出其被细胞膜弯曲激活的模型;解析了人类致聋基因KCNQ4不上膜及孔道区失活的致病机制并为其治疗提供了可能途径。

在触觉领域,利用果蝇鉴定介导触觉和排泄压力感觉的机械力门控离子通道NompC,该部分研究被编入美国科学院院士骆立群(Liqun Luo)教授编写的神经科学教科书“Principles of Neurobiology”;鉴定了介导果蝇触觉的机械力门控离子通道Brv1,提出Brv1和NompC共同作用放大触觉刺激信号的模型。

课题组长期致力于听觉转导离子通道的机械门控机理研究,以及遗传性耳聋的基因诊断、基因治疗和靶向药物筛选相关研究。运用分子生物学、电生理记录等技术手段,结合基因编辑构建耳聋小鼠模型,揭示听觉转导的分子机制,在听觉疾病的干预方面做出使患者受益的研究成果。


论文标题:

The Push-to-Open Mechanism of the Tethered Mechanosensitive Ion Channel NompC

论文全文:

https://elifesciences.org/articles/58388


文章来源 | 闫致强课题组


参考文献


1 Kefauver, J. M., Ward, A. B. & Patapoutian, A. Discoveries in structure and physiology of mechanically activated ion channels. Nature 587, 567-576, doi:10.1038/s41586-020-2933-1 (2020).

2 Jin, P., Jan, L. Y. & Jan, Y. N. Mechanosensitive Ion Channels: Structural Features Relevant to Mechanotransduction Mechanisms. Annu Rev Neurosci 43, 207-229, doi:10.1146/annurev-neuro-070918-050509 (2020).

3 Yan, Z. et al. Drosophila NOMPC is a mechanotransduction channel subunit for gentle-touch sensation. Nature 493, 221-225, doi:10.1038/nature11685 (2013).

4 Zhang, W. et al. Ankyrin Repeats Convey Force to Gate the NOMPC Mechanotransduction Channel. Cell 162, 1391-1403, doi:https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.08.024 (2015).

5 Gaudet, R. A primer on ankyrin repeat function in TRP channels and beyond. Mol Biosyst 4, 372-379, doi:10.1039/b801481g (2008).

6 Howard, J. & Bechstedt, S. Hypothesis: A helix of ankyrin repeats of the NOMPC-TRP ion channel is the gating spring of mechanoreceptors. Current Biology 14, R224-R226, doi:https://doi.org/10.1016/j.cub.2004.02.050 (2004).

7 Jin, P. et al. Electron cryo-microscopy structure of the mechanotransduction channel NOMPC. Nature 547, 118-122, doi:10.1038/nature22981 (2017).

8 Argudo, D., Capponi, S., Bethel, N. P. & Grabe, M. A multiscale model of mechanotransduction by the ankyrin chains of the NOMPC channel. J Gen Physiol 151, 316-327, doi:10.1085/jgp.201812266 (2019).