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生射中心肖百龙研究组在《天然·通信》发文揭露

发布时间:2017-11-28 00:00

2017 年 11 月 27 日,《自然•通讯》(Nature Communications) 杂志在线发表了生命中心 PI 肖百龙研究组题为《相互作用蛋白抑制机械敏感 Piezo 通道的作用机制》(A protein interaction mechanism for suppressing the mechanosensitive Piezo channels) 的研究长文,研究鉴定发现了 Piezo 蛋白家族的新型调控蛋白 SERCA2 并系统阐明了其对 Piezo 蛋白通道活性调控的作用机制。肖百龙研究组 2012 级生命学院 PTN 项目博士研究生张廷鑫和 2016 级药学院博士研究生池少鹏为本文并列第一作者,肖百龙研究员为本文通讯作者。

机械敏感阳离子通道是一类能够响应机械力刺激而引起阳离子通透的离子通道,在诸如触觉感受、本体感受、听觉感受、血管发育与血压调节等基本生命活动中承担重要作用。直到 2010 年,Piezo 基因家族 (包括 Piezo1 和 Piezo2) 被发现编码哺乳动物机械敏感阳离子通道的必要分子组成 (Coste et al., Science 2010)。Piezo 蛋白是一类复杂的跨膜蛋白,每个亚基包含 2500 多个氨基酸,预测跨膜 30-40 次,并且与已知的离子通道没有同源性。肖百龙博士在从事博士后研究期间与其同事合作首次证明了 Piezo1 能够以同源多聚体的形式构成机械敏感通道的孔道组成成分,从而确立了 Piezo 通道这一全新机械门控离子通道家族。相关研究成果于 2012 年发表在《自然》(Nature) 杂志 (汤森路透高被引论文)。

鉴于 Piezo 通道生理、病理意义的重要性及其序列结构的特异性,理解 Piezo 通道的分子作用机制及调控机制具有重要的科学意义,也将为基于 Piezo 通道的药物开发奠定基础。据此,肖百龙博士于 2013 年在清华大学药学院组建自己的研究组后,聚焦这一重要科学问题并取得了系列重要研究成果。其研究组通过合作于 2015 年在《自然》杂志率先报道了 Piezo1 通道中等分辨率的冷冻电镜三维结构,揭示了其三叶螺旋桨状三维构造特征,为解析其分子作用机制提供了重要线索。随后于 2016 年,其研究组在神经科学顶级期刊《神经元》(Neuron) 报道了 Piezo1 蛋白负责离子通透与选择性的孔道区模块以及负责机械力感受与传导的机械传感模块的氨基酸构成,进而首次提出 Piezo1 通道以功能区模块化的方式来行使其机械门控离子通道功能的假说。

在《自然•通讯》发表的文章中,肖百龙研究组首先利用蛋白纯化、质谱、生化、细胞免疫染色等技术鉴定发现 Piezo1 的一类新型互作蛋白 SERCA2。SERCA2 是定位在内质网膜上的钙离子转运泵,在各种细胞中广谱表达,对维持细胞内的钙稳态至关重要。他们进一步鉴定出 Piezo1 蛋白中负责与 SERCA2 相互作用的位点是位于孔道区与机械门控结构域之间的一段连接区 (图 A -C)。突变该连接区 (图 D) 或添加该连接区的合成多肽可以有效地拮抗 Piezo1 和 SERCA2 的相互作用。

利用膜片钳电生理技术,他们发现 SERCA2 能够抑制 Piezo 蛋白的通道活性,并且这种抑制作用是依赖于 SERCA2 与 Piezo1 中的连接区的相互作用实现的 (图 E -G)。因此,他们推测 SERCA2 结合到这段连接区减弱了 Piezo1 通道的机械传感模块区和孔道模块区之间的有效耦合,从而抑制了 Piezo1 的通道活性。与此相吻合,突变 Piezo1 的连接区显著减弱其机械门控电流。这些实验数据进一步支持其研究组所提出的 Piezo1 通道的模块化工作机制假说。

Piezo1 在血管内皮细胞中承担血流所造成的剪切力受体的角色,进而控制血管内皮细胞的重排和血管发育。他们发现 SERCA2 能够通过调控 Piezo1 的通道活性进而控制血管内皮细胞的迁移,而且他们所鉴定到的连接区合成多肽可以增强血管内皮细胞的迁移功能。这些研究结果为基于这一蛋白互做调控模式的潜在药物开发提供了重要线索。

SERCA2 结合 Piezo1 的位点和其调控 Piezo1 通道活性的机制

(A. Piezo1 与 SERCA2 结合位点连接区的氨基酸组成和所在位置示意图;B, C, D. SERCA2 通过 Piezo1 的连接区与 Piezo1 相互作用;E. SERCA2 抑制 Piezo1 的通道活性;F, G. SERCA2 通过 Piezo1 的连接区抑制 Piezo1 的机械敏感性)

本研究得到了科技部 (2016YFA0500402,2015CB910102)、国家自然科学基金委 (31422027,31371118,31630090)、以及清华 - 北大生命科学联合中心的资助,该研究同时也得到了清华大学生物医学测试中心蛋白质化学平台的技术支持。

肖百龙博士自 2013 年 1 月起在清华大学药学院 (原医学院药学系)、清华-北大生命科学联合中心、IDG/麦戈文脑科学研究所担任研究员、博士生导师,是青年千人计划、基金委优秀科学基金获得者。他于 2001 年从中山大学生命科学学院生物化学专业获得理学学士学位。2001-2006 年期间就读于加拿大卡尔加里大学(University of Calgary) 并获得心血管分子生物学专业博士学位,导师是 Wayne Chen 教授。2007-2012 年期间在美国斯克里普斯研究所 (The Scripps Research Institute) 从事神经科学博士后研究,主要开展触觉痛觉分子细胞学机制的研究工作,导师是 Ardem Patapoutian 教授。

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