PIEZO1の構造状態を直接観察

Nature volume 620、pages 1117–1125 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

PIEZO は、力を化学電気信号に変換する機械感受性イオン チャネルであり 1,2、さまざまな生理学的設定において重要な役割を果たします 3。 in vitro 研究では、PIEZO チャネルが、中央のイオン伝導性細孔から伸びる膜貫通ドメインの広範なブレードの変形を通じて機械力を変換することが提案されています 4、5、6、7、8。 しかし、これらのチャネルがその本来の環境とどのように相互作用するのか、またどのような分子の動きが活性化の基礎となっているのかについてはほとんどわかっていません。 ここでは、ナノスコピック蛍光イメージングを使用して、細胞内の個々のPIEZO1分子のブレードの構造ダイナミクスを直接観察します。 PIEZO1 の以前の構造モデルと比較して、静止時にブレードが原形質膜によって及ぼされる曲げ応力によって大幅に拡張することを示します。 拡張の程度はブレードの長さに沿って劇的に変化し、サブドメイン間の結合強度の低下が遠位ブレードの柔軟性の増加を説明できる可能性があります。 PIEZO1 の化学的および機械的モジュレーターを使用して、ブレードの拡張とチャネルの活性化が相関していることを示します。 私たちの調査結果は、PIEZO1 がネイティブ環境でどのようにアクティブ化されるかを明らかにし始めています。 より一般的には、チャネルの集団から単一ナノメートルの構造変化を確実に検出できるため、このアプローチがナノスコピックイメージングによる膜タンパク質の構造解析のフレームワークとして機能すると期待されます。

環境からの機械的情報を感知して変換する能力は、生命のあらゆる領域にわたるさまざまな生理学的プロセスにとって重要です9。 機械伝達チャネルは機械的働きを利用して、細胞膜の摂動に応答してイオン伝導孔を直接開き、細胞シグナル伝達を開始します10。 PIEZO は真核生物に見られる機械伝達チャネルのファミリー 1,2 であり、触覚 11、血圧制御 12、血管発達 13,14、機械的かゆみ 15、赤血球水和状態 16 など、哺乳類の膨大な生理学的プロセスを媒介します。

PIEZOは大きなホモ三量体膜タンパク質であり、構造的に三脚角として配置されています4、5、7（図1a）。 各プロトマーは、中央の細孔と C 末端近くのキャップ ドメインで接触し、N 末端に向かって外向きと上向きの両方に伸びる 36 個の膜貫通ドメインのブレードを突き出します。 遠位ブレードの約 3 分の 1 を欠いた PIEZO1 の部分的なクライオ電子顕微鏡 (クライオ EM) 構造のみが利用可能ですが、構造ホモロ​​グ PIEZO2 は膜貫通ドメインの完全な補完によって解明されています 17。 構造モデルと予測では、ブレードは直径約 24 nm、深さ 9 nm のボウル形状を形成し、総投影面積は約 450 nm2 です。 ブレードは細胞内ビームを介して孔に直接接続されており、ブレードがチャネルと機械力の主要なセンサーを直接ゲートするレバーであることを示唆しています6。

a、細胞外から見たPIEZO1の構造モデル。 PIEZO1 の最も完全なクライオ EM 構造（ブレードの遠位の約 3 分の 1 が欠けている部分が強調表示されている）（左）と、PIEZO1 の AlphaFold II 構造予測（右）が示されています。 C 末端細胞外ドメイン (CED) は、予測が不十分なため、AlphaFold II モデルから削除されています。 位置 103 の TCO*K タグはマゼンタの星として示されています。 各プロトマーは個別に色付けされています。 b、iPALM 局在化からの候補 PIEZO1 粒子のセグメント化。 テトラジン – Alexa Fluor 647 (AF647) で標識された TCO*K 103 PIEZO1 を発現する HEK293 細胞の代表的な × 100 微分干渉コントラスト画像 (n = 5 細胞から) (左上; スケール バー、10 μm)。 左上のマゼンタの挿入図からの原形質膜局在のピクセルあたり 3 nm のレンダリング (スケール バー、3 μm) (上中央)。 最近傍要件を満たす候補 PIEZO1 分子を含むバイナリ AF647 局在 (マゼンタ点) をシアンのボックスで強調表示 (スケール バー、3 μm) (右上)。 最小限の相互局在化分離要件を満たす、候補となる三重標識 PIEZO1 分子のピクセルあたり 3 nm の代表的なレンダリングも示されています (スケール バー、30 nm) (下)。 c、3 重対称性促進を伴う同定された PIEZO1 三量体局在の融合超粒子、上から見た図 (n = 5 の画像化細胞、n = 726 分子および n = 8,500 の局在)。 局在化は、局所密度に比例したサイズと色で視覚化されました (「方法」を参照)。 d、60 nm 球内の局在化を包含する最小値である 0.5 × 10−5 を超える局所密度に対して閾値処理された超粒子 (左)。 k = 3 クラスターによる k-means クラスタリングで分離された各ブレードに関連付けられたローカリゼーション (右)。 e、パート c の超粒子からのブレード クラスター内の各局在と、隣接するブレード クラスター内のすべての局在の間の局在ごとの平均ブレード間距離の散布図。局所密度によって色分けされています。 位置 103 では、AlphaFold II モデルから計算された 19.2 nm と比較して、最も可能性の高いブレード間距離は 25.4 ± 5.9 nm (平均 ± sd) です。