PIEZO1의 구조 상태를 직접 관찰

Nature 620권, 1117~1125페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

PIEZO는 힘을 화학전기 신호1,2로 변환하고 다양한 생리학적 설정3에서 필수적인 역할을 하는 기계 감응성 이온 채널입니다. 시험관 내 연구에서는 PIEZO 채널이 중앙 이온 전도성 기공4,5,6,7,8에서 나오는 막횡단 도메인의 광범위한 블레이드 변형을 통해 기계적 힘을 변환한다고 제안했습니다. 그러나 이러한 채널이 기본 환경과 상호 작용하는 방식과 활성화의 기초가 되는 분자 운동에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 여기서 우리는 나노 형광 이미징을 사용하여 세포 내 개별 PIEZO1 분자 블레이드의 구조 역학을 직접 관찰합니다. PIEZO1의 이전 구조 모델과 비교하여 블레이드가 원형질막에 의해 가해지는 굽힘 응력에 의해 정지 상태에서 크게 확장된다는 것을 보여줍니다. 확장 정도는 블레이드의 길이에 따라 크게 달라지며, 하위 도메인 간의 결합 강도가 감소하면 원위 블레이드의 유연성이 증가할 수 있습니다. PIEZO1의 화학적 및 기계적 변조기를 사용하여 블레이드 확장과 채널 활성화가 서로 연관되어 있음을 보여줍니다. 우리의 연구 결과는 PIEZO1이 기본 환경에서 어떻게 활성화되는지 밝혀내기 시작했습니다. 보다 일반적으로 우리는 채널 집단에서 단일 나노미터의 구조적 변화를 안정적으로 감지하므로 이 접근 방식이 나노 현미경 이미징을 통해 막 단백질의 구조 분석을 위한 프레임워크 역할을 할 것으로 기대합니다.

환경으로부터 기계적 정보를 감지하고 변환하는 능력은 삶의 모든 영역에 걸쳐 다양한 생리학적 과정에 매우 중요합니다9. 기계변환 채널은 기계적 작업을 활용하여 세포막의 교란에 반응하여 이온 전도성 기공을 직접 열어 세포 신호 전달을 시작합니다. PIEZO는 Eukarya1,2에서 발견되는 기계적 변환 채널 계열이며 촉각 감각11, 혈압 조절12, 혈관 발달13,14, 기계적 가려움증15 및 적혈구 수화 상태16을 포함하여 포유류의 광범위한 생리적 과정을 중재합니다.

PIEZO는 트리스켈리온(triskelion4,5,7)으로 구조적으로 배열된 대형 동종삼량체 막 단백질입니다(그림 1a). 각 프로토머는 C 말단 근처의 중앙 기공과 캡 도메인에서 접촉하고 N 말단을 향해 바깥쪽과 위쪽으로 확장되는 36개의 막횡단 도메인의 블레이드를 투영합니다. 원위 블레이드의 약 1/3이 부족한 PIEZO1의 부분 저온 전자 현미경(cryo-EM) 구조만 사용할 수 있지만 구조적 상동체 PIEZO2는 막횡단 도메인의 전체 보완으로 해결되었습니다. 구조 모델과 예측에서 블레이드는 직경이 약 24 nm, 깊이가 9 nm이고 총 투영 면적이 약 450 nm2인 그릇 모양을 형성합니다. 블레이드는 세포내 빔을 통해 기공에 직접 연결되며, 이는 채널을 직접 게이트하는 레버이자 기계적 힘의 기본 센서임을 시사합니다.

a, 세포외에서 본 PIEZO1의 구조 모델. 강조 표시된 블레이드의 원위 약 1/3이 누락된 PIEZO1의 가장 완전한 극저온 EM 구조(왼쪽)와 PIEZO1의 AlphaFold II 구조 예측(오른쪽)이 표시됩니다. C-말단 세포외 도메인(CED)은 예측 불량으로 인해 AlphaFold II 모델에서 제거되었습니다. 위치 103의 TCO*K 태그는 자홍색 별표로 표시됩니다. 각 프로토머는 별도로 색상이 지정됩니다. b, iPALM 위치로부터 후보 PIEZO1 입자의 분할. 테트라진-Alexa Fluor 647(AF647)로 표지된 TCO*K 103 PIEZO1을 발현하는 HEK293 세포의 대표적인 ×100 미분 간섭 대비 이미지(n = 5 셀)(왼쪽 위, 눈금 막대, 10μm). 왼쪽 상단(스케일 바, 3 μm)(상단 중간)에 있는 마젠타색 삽입에서 원형질막 위치를 픽셀당 3nm 렌더링합니다. 가장 가까운 이웃 요구 사항을 충족하는 후보 PIEZO1 분자를 사용한 이진 AF647 위치(마젠타 포인트)는 청록색 상자(스케일 바, 3μm)(오른쪽 상단)로 강조 표시됩니다. 최소 내부 위치 분리 요구 사항을 충족하는 후보 삼중 표지 PIEZO1 분자의 픽셀당 대표적인 3nm 렌더링도 표시됩니다(스케일 바, 30nm)(하단). c, 3중 대칭 촉진을 갖는 확인된 PIEZO1 삼량체 국소화의 융합된 초입자, 위에서 아래로 관찰됨(n = 5개의 이미지화된 세포, n = 726개의 분자 및 n = 8,500개의 국소화). 국소화는 국소 밀도에 비례하는 크기와 색상으로 시각화되었습니다(방법 참조). d, 0.5 × 10-5 이상의 국부 밀도에 대해 임계값이 설정된 초입자. 60nm 구 내 국지화를 포함하는 최소값(왼쪽). k = 3개 클러스터를 사용한 k-평균 클러스터링으로 격리된 각 블레이드와 관련된 위치 파악(오른쪽). e, 부분 c의 초입자로부터 블레이드 클러스터 내의 각 위치화와 이웃 블레이드 클러스터의 모든 위치화 사이의 평균 위치화별 블레이드 간 거리의 산점도(국소 밀도로 채색됨). 위치 103에서 가장 가능성 있는 블레이드 간 거리는 AlphaFold II 모델에서 계산된 19.2nm와 비교하여 25.4 ± 5.9nm(평균 ± sd)입니다.