Nat Struct Mol Biol｜新型机械力敏感的离子通道OSCA的鉴定、结构解析与机制研究

2018年9月6日，北京大学分子医学研究所陈雷研究组、定量生物学中心宋晨研究组，以及复旦大学生命科学学院闫志强研究组在《自然-结构与分子生物学》杂志发表题为“Structure of the mechanosensitive OSCA channels”的论文。 该项研究鉴定并解析了机械力敏感的非选择性离子通道OSCA的原子分辨率（3.5Å）冷冻电镜结构，揭示了OSCA通道的组装模式，并通过突变体的电生理研究及分子动力学模拟，推测了该通道可能的工作机制。

机械力是一种能够被生物体感知的、重要的物理信号，常见的机械力感受过程包括听觉和对触摸的感知等等。生物体是通过各种机械力感受器来感受机械力的。机械力敏感的离子通道（mechanosensitive ion channel）就是一种在所有生命体内都存在的重要的机械力感受器，它们可以把机械力这种物理信号转化为电信号，从而进行传递及引发下游生理反应。根据机械力的感受机制，人们把这些离子通道分为两大类：感受膜传递的机械力（比如Piezo，K2P，MscL等）及感受细胞骨架传递的机械力（比如NOMPC）。有些机械力敏感的离子通道和渗透压感受及应激相关，比如细菌中的MscL等通道。在2014年，两个研究组独立发现拟南芥中的OSCA1.1及OSCA1.2通道与植物渗透压的感受相关，并且记录到了高渗引起的全细胞电流和钙内流，本项研究正是在该基础上开展的。

本项研究的作者们首先发现高渗引起的OSCA1.1全细胞电流很小，不便于重复刺激和长时记录，进而尝试用负压激活的方式来刺激通道。幸运的是，作者们发现在inside-out膜片钳记录电极内施加负压可以获得较大的，稳定的OSCA1.1依赖的电流。为了研究OSCA感受机械力的模式，作者首先用可以抑制NOMPC电流的微管多聚抑制剂来处理inside-out记录膜片，发现电流变化不大。相比之下，加入锥形磷脂Lyso-PC能有效地使通道易于开放，进而证明了该离子通道是通过感受膜传递的机械力而激活的。作者们随后通过冷冻电镜的方法解析了该通道在3.5Å的结构。该结构清晰地显示了OSCA1.1通道是一个同源二聚体，每个亚基有11个跨膜螺旋。令人惊讶的是，该通道M1-M10跨膜螺旋的结构与TMEM16家族蛋白的结构很相似，但没有序列同源性。TMEM16家族成员包括了著名的钙离子激活的氯离子通道（TMEM16A）及钙离子激活的磷脂翻转酶（TMEM16F）等。但是，在TMEM16家族中保守的钙结合位点在OSCA中并不保守。OSCA通道的电子密度显示，每个单体亚基内有一个凹陷，而该凹陷的位置正好对应于TMEM16A通道的孔道区的位置。

作者进一步通过分子动力学模拟，发现在有机械力刺激的条件下，该区域有变大的构象变化。据此，作者们推测了OSCA孔道区的位置。随后，作者筛选到了两个位于该区域的OSCA突变体，可以改变单通道电导， 进一步验证了对孔道区位置猜测的正确性。此外，作者们又鉴定了拟南芥中的OSCA3.1蛋白是一种可以感受更高压力范围的机械力敏感的离子通道，并解析了其分辨率为4.8Å的结构，该结构和OSCA1.1 通道的结构极为相似。通过序列比对及突变体功能分析发现，OSCA3.1与OSCA1.1在M0上的两个不同的氨基酸可能与其感受不同的压力范围有关。最后通过与TMEM16A通道不同门控状态下结构进行比较及突变体的电生理记录结果，发现M6螺旋可能在OSCA响应机械力而开放的过程中，发生了与TMEM16A相似的构象变化。从而，作者们提出了该新型机械力敏感的离子通道的工作机制模型。OSCA隶属于TMEM63家族，该家族广泛分布于真菌、植物、动物及人体。OSCA通道机械力敏感性质的鉴定对于进一步研究TMEM63家族蛋白的功能具有重要意义。此外，由于听觉相关的TMC通道与TMEM16A通道结构有相似性，OSCA通道结构与功能研究对于TMC通道的进一步研究有促进意义。

北京大学分子医学研究所陈雷、北京大学定量生物学中心宋晨和复旦大学生命科学学院闫志强为本文共同通讯作者，原陈雷实验室实验员章明锋为本文第一作者；王大力、康云路、吴惊香、姚富强和潘成芳参与了此项工作。 该工作冷冻电镜数据采集在上海国家蛋白质科学设施及北京大学电镜室完成，数据处理获得了北京大学CLS计算平台及未名超算平台的支持。此外，生物物理所冷冻电镜平台在前期的工作中给予一定支持。本工作获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、生命科学联合中心、千人计划、中国博士后基金的经费支持。作者吴惊香先后获得了CLS博士后和博雅博士后奖学金的支持。首都医科大学张晨教授在该工作初期提供了电生理实验台的硬件支持，北京大学钟上威研究员提供了拟南芥的全cDNA，宾夕法尼亚州Ren Dejian教授提供了TPC基因作为分子量对照。