“文献精读系列”是脊柱脊髓损伤再生修复教育部重点实验室举办的常规科研交流学习会议，旨在聚焦领域内前沿进展，探究学术尖端技术研究路线，培养锻炼青年科研人员与硕博生科研思维。

【文献精读·01】会议日期：2022年10月24日  审校人/共同撰稿人：林古法  报告人/撰稿人：白雨鑫  编辑：宋思敏

我们身体的所有细胞都不断地受到各种机械力的影响。除了普遍存在的重力和渗透力之外，一些细胞分别受到外部施加的机械刺激或器官膨胀引起的压缩和拉伸，而另一些细胞则受到循环体液施加的剪切应力。此外，当细胞探索周围环境时，许多细胞在其表面产生牵引力。因此，大多数细胞都配备了传感器，使它们能够检测并将机械刺激转化为生化信号（机械转导），触发自适应性过程，在不断变化的机械环境中保持细胞、组织和尤其是身体的完整性。

机械门控Piezo离子通道是细胞感受压力的传感器。机械门控Piezo离子通道是哺乳动物中发现确立的首类机械门控阳离子通道家族，包含Piezo1和Piezo2两个成员。美国Scripps研究所的Patapoutian团队利用机械敏感细胞来识别由机械力激活的离子通道。经过筛选，发现了Piezo1。Piezo2则因其与Piezo1的序列相似性被鉴定。通过对细胞膜施加压力能够直接激活Piezo1和Piezo2离子通道。Piezo2离子通道对触觉至关重要，其在身体位置和运动感知(即本体感觉)中发挥关键作用。

Piezo1和Piezo2两个离子通道

最近，德国汉堡-埃彭多夫大学医学中心麻醉科Stefan G. Lechner团队在Nature Communication发表了题为“Intrinsically disordered intracellular domains control key features of the mechanically-gated ion channel PIEZO2”的文章。文章探讨了内在无序结构域（IDR）对Piezo2离子通道的关键特性的调控，运用了全细胞记录和细胞吸附记录分析7种IDR删除（IDR1-7^del）对Piezo2离子通道的影响。

为了研究IDRs在Piezo2离子通道中的作用，科研人员评估了IDR1-7^del在缺乏内源性机械转导电流的Neuro2a -PIEZO1-KO细胞中的功能。首先用全细胞膜片钳记录比较了Piezo2 与IDR1-7^del，发现IDR5^del电流振幅显著降低，激活阈值略有增加；IDR3^del电流振幅显著升高，激活阈值无显著变化；与1 μm/ms刺激速度相比，0.25 μm/ms刺激速度下的Piezo2电流振幅降低约60%，IDR2^del 在0.25 μm/ms速度下产生的电流明显更小。在细胞吸附式记录中，IDR4^del显著增加了Piezo2电流；IDR3^del显著增加了Piezo2单通道电导。这些结果表明，IDR3调控Piezo2的单通道电导，而IDR2调控Piezo2的速度敏感性。IDR4^del增加了细胞吸附记录中的Piezo2电流，但不影响全细胞记录中的Piezo2电流，而IDR5^del和IDR2^del则产生了相反的效果，这表明两种记录方式中的机械刺激分别通过涉及不同结构域的不同机制激活Piezo2离子通道。

相比于Pizeo2-2^del，Piezo1-2^del要短得多，二者序列相似性低于20%，而且Piezo1表现出与P2-IDR2^del相似的速度敏感性，P1-IDR2P2嵌合体表现出与Piezo2相似的速度敏感性，验证了IDR2对Piezo2速度敏感性的调控。最初的电生理表征表明，IDR3^del增加了单通道电导，相应地也增加了全细胞记录的Piezo2电流，科研人员猜测IDR3^del可能导致了结构变化，如下图所示，IDR3 连接了 clasp 结构域 和 latch 结构域，latch结构域通过lateral plug （LP）连接beam 结构域。已有研究表明LP能够调控Piezo的离子渗透，抑制Piezo的横向离子传导。单通道记录显示，IDR3^del和 (IDR3 +LP)^del的单通道电导无显著差异，这表明IDR3del横向离子传导通道已经开放；IDR3不是直接参与离子渗透的调控，而是确保LP的正确位置。

IDR3^del可能引起的结构变化

肌动蛋白细胞骨架破坏药物Cyto-D能够显著降低全细胞记录的Piezo2电流振幅，而在细胞吸附记录中，Cyto-D处理后，Piezo2电流更大、更频繁，这与Cyto-D处理后的Piezo1相似，但Cyto-D不影响两种膜片钳技术记录的IDR5^del电流。这表明在全细胞记录中，机械力从细胞骨架传递到PIEZO2需要（下图A）。此外，相对于Treated-GFP, Piezo2细胞轴突长度和数量显著减少，IDR5^del对轴突生长无抑制作用（下图B），这表明Piezo2检测轴突生长过程中细胞产生的力也需要IDR5的参与。

A． 在全细胞和细胞吸附记录中潜在的Piezo2激活机制；B.Piezo2抑制N2a细胞的轴突生长，IDR^del对其无影响

本篇文章揭示了IDR能够调控全细胞记录和细胞吸附记录中Piezo2电流、速度编码和单道电导等特性，而且发现细胞骨架传输力激活Piezo2需要IDR5的参与；IDR5^del消除Piezo2对轴突生长的抑制作用，但IDR5^del只影响全细胞记录的Piezo2电流，并不影响细胞吸附记录的Piezo2电流。因此，本篇文章提出：Piezo2通过不同的力传递途径检测不同类型的机械刺激，这彰显了在研究PIEZO功能时使用多种分析手段的重要性。

相关文献：

Verkest C, Schaefer I, Nees TA, Wang N, Jegelka JM, Taberner FJ, Lechner SG. Intrinsically disordered intracellular domains control key features of the mechanically-gated ion channel PIEZO2. Nat Commun. 2022 15;13(1):1365. doi: 10.1038/s41467-022-28974-6.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28974-6