新闻大事件 | 清华大学药学院本科生论坛第五期成功举办
药学院本科生论坛是面向本科生开设的科研引导项目,以科普讲座的形式介绍药学院导师的科研方向,旨在让本科生建立科研兴趣,更多地了解学术前沿,更好地规划学术生涯。论坛由药学院本科教学委员会主办,各本科班级承办。
 
10月16日 10:00 ,医学科学楼B323,药学院本科生论坛第五期如期开讲,本次论坛邀请到了药学院肖百龙教授为我们带来“力生万物,我们何以感知?压力分子受体-PIEZO通道的诺奖研究之旅”主题讲座。来自药学院、探微书院等多个院系近60位同学线下参加了本次论坛。同时,本次论坛通过抖音直播与bilibili直播,线上超7万人观看了论坛现场的同步直播。

01
主讲嘉宾介绍


肖百龙,清华大学药学院长聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,入选国家高层次人才特殊支持计划。其于2001年从中山大学获得理学学士学位;2001-2006年在加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)获得博士学位,导师为Wayne Chen教授;2007-2012年在美国斯克利普斯研究所(The Scripps Research Institute)从事神经科学博士后研究,导师为2021年诺贝尔生理医学奖得主Ardem Patapoutian教授。2013年入职清华大学,组建自己的独立课题组,聚焦于解答压力分子受体——机械门控PIEZO通道如何将机械力刺激转化为电化学信号这一关键科学问题,并致力于开发相关的新型药物和生物技术,迄今取得了系列重要研究成果,在Nature、Neuron等期刊发表系列研究论文。
 
02
内容回顾

从“Piezo通道的发现与确立”到“Piezo的结构与功能机制探究”,从“Piezo决定的生理与病理功能”再到“相关药物发现与开发”,肖百龙老师由浅入深,一步步地将2021年诺贝尔奖的核心之一——Piezo通道的全貌展现在我们面前。
 
 
一、Piezo通道的发现与确立
在多代科学家的努力下,Piezo通道得以被发现与确立。与研究温觉与冷觉受体蛋白的思路不同首先通过电生理记录,寻找到了响应“戳”这种机械力而产生显著电流的细胞系——N2A。接着通过基因芯片技术确定了N2A细胞系中高表达的基因。结合离子通道一般都是跨膜两次以上的膜蛋白这一特点,他们从中挑选出300多个候选基因。通过RNA干扰技术在N2A细胞系中逐个抑制候选基因并记录机械敏感电流,最后发现抑制Fam38A表达后电流显著降低。Fam38A被重新命名为Piezo1(希腊语意为“压力”),同家族的Fam38B被命名为Piezo2。Piezo家族就此被发现。
 
二、Piezo的结构与功能机制探究
Piezo蛋白发现后,首先需要证明的是它的充分性。这一特性通过基因克隆实验(在注入克隆基因的无机械力感应细胞中探测到对机械力的反应)被证实。接着通过纯化Piezo蛋白、重组到人工脂质体中并记录到通道开放事件验证了它是离子通道。,随着Piezo通道的结构被逐步解析,关于其功能机制的假说也越来越精准,利用杠杆模型,在外力的作用下,外侧的弯曲的桨叶结构被展平,该过程的机械力和形变将通过胞内的长杆结构传递到孔道中央,从而撬开通道。通过计算模型,桨叶展平过程的能量变化被估计了出来。科学家还进一步利用原子力显微镜对此进行了验证。
 
三、Piezo决定的生理与病理功能
Piezo控制机械力相关的感觉产生,与视、味、嗅无关,与听不直接相关。随着对Piezo蛋白生理功能研究的逐步深入,过去临床上的一些疑难杂症也找到了病根,Piezo1的功能异常可能造成红细胞干瘪、先天性淋巴管发育不良、心血管、肾、肠异常以及免疫系统疾病;Piezo2的功能异常可能导致脊柱变形、本体感觉异常、机械超敏痛异常等疾病。在动物实验的进一步证实下,已经可以基本确定这些疾病由Piezo家族的基因突变导致。 
 
四、相关药物发现与开发
了解了Piezo异常导致的疾病的机理,可以找出研发相应药物的思路——促进或抑制Piezo功能来缓解病症。激动剂可降低激发离子通道的阈值,从而使因结构异常或其它原因而活性下降的Piezo通道在一定程度上恢复活性,以此恢复正常的触觉和本体觉(应对感觉失灵疾病);抑制剂通过阻碍Piezo通道正常开启来抑制其过度活化,例如Piezo2的抑制剂就有缓解机械超敏痛的潜力。迄今,已发现了Piezo1通道的激动剂Yoda1与Jedi分子。如何进一步寻找有更佳药理学性质的Piezo1激动剂和抑制剂以及寻找靶向Piezo2的小分子药物将是下一步研究的目标。
 
最后,肖百龙老师补充了Piezo通道机制未能解释的现象:听觉和高阈值机械痛觉的产生不依赖于Piezo蛋白,并对其未来的研究发展做出进一步展望。
 
 

03
师生交流
 
在讲座结束后,同学们也提出了关于学术、科研、学习方面的问题与思考,肖百龙教授也为大家一一解答。
下面让我们来看看这些有趣的问题与回答吧。
 

Question 1:在刚才的介绍当中,非常强调蛋白质结构解析对于整体研究的重大作用。我想了解像Piezo蛋白如此难解析的蛋白,在使用冷冻电镜解析时有没有采用什么巧妙的方法?
Answer:Piezo的解析的确很困难。但现在冷冻电镜技术已经突破,瓶颈主要存在于样品的质量。如果拿到了好的样品,后期的解析工作难度就不是那么大了。因此拿到相对均一、正常的蛋白十分重要。我们实验室使用的样品较好,这对于我们在这方面研究的领先起到了重要作用。
 
Question 2:用Alpha-Fold研究Piezo这种比较难研究的蛋白的前景如何?
Answer:我认为Alpha-Fold是研究领域里一个非常重要的研究进展。我们用Alpha-Fold预测了Piezo的结构,可以说预测结果(至少是Fold结构)相当准确。在类似的研究中,这种预测结果的准确性也得到了极大的证实。但是Alpha-Fold仍然存在局限性,比如说它不能很好的预测多聚体结构,而我们现在研究的许多蛋白都是多聚体。如果能够预测多聚体,它的前景就会更加广阔。
 

Question 3:Piezo蛋白很大,对于细胞来说能耗较大,如此大的分子量是否是必要的呢?
Answer:它的分子量大的原因之一,是覆盖更大膜面积。但耗能不一定会很高,细胞膜表面只需受到一点机械扰动,就可以触发蛋白由关闭态进入激发态。
 
Question 4:Piezo的敏感性较强,在外力施加的大小与性质不同时,会不会有不同通道开启的现象?
Answer:当然是可能的。不同的机械力(剪切力,拉力,压力等),可能对于Piezo蛋白通道存在不同的调控方式。就实验结果来看,Piezo 1对于压力与拉力相应均较好,而Piezo2仅对于压力相应较好。同时,不同的力可能会介导下游不同信号分子的反应。当然,这些还有待进一步研究。
 

Question 5:在您的研究过程中,有效问题的提出似乎起到了重要作用。但在大多数情况下,自己却提不出什么有效的问题。因此我想了解:作为一个本科生,我们应该如何培养自己的问题意识?
Answer:这是一个很好的问题。就像刚才我们提到的,第一点,提问的应该是自己没有答案的问题,凡是自己不了解不清楚的(问题),都可以提出来。举个例子,比如说我们的问题:如何感受力?这个问题似乎没有想过,我就可以去看看这个问题有没有先人研究过。再比如说,肖老师刚才讲的Piezo蛋白的离子通道结构,你就可以问:这样是不是缺了什么(研究过程)?这些究竟有没有证据?因此第二点,向所谓“权威”提出质疑,也是好的提问思考方向。
 
Question 6:Piezo是一种离子通道,有没有可能改造成一种技术上的分子工具呢?若能,改造的思路以及困难有哪些呢?
Answer:除了用小分子来操控Piezo蛋白以外,我们还有其它的方式,其中一个很受欢迎的方向就是运用超声波来操控细胞及其行为学现象。如果Piezo可以感知超声,就可以通过将Piezo导入细胞,这样就可以通过超声波来激活细胞。虽然现在没有显著的研究证明Piezo具有感知超声波的能力,但这是一个潜在的方向。另一个方向就是针对细胞中微小机械力的检测。细胞中的机械力很小,往往是pN级别的,如果利用Piezo蛋白的敏感性,将其表达在细胞表面,或许可以发挥出它的力探测器的作用。
 
 
Question 7:在发现Piezo蛋白及研究其结构的过程中,最困难的是什么?将Piezo蛋白推广到应用领域中,要克服哪些困难呢?
Answer:发现时难点主要还是因为蛋白较大,表达以及纯化相当困难。这样的蛋白在做体外的生化实验、药物筛选时十分困难。因为蛋白的量很少(纯化困难造成),我们在Piezo蛋白的小分子激活方面的研究非常有限。应用方面,在做检测工具这一方面,主要的困难也是在于其较大的分子量。分子量大使它很难在细胞内表达,同时也很难通过包被进病毒的方式侵染导入细胞。我们也正在做许多尝试,试图在保持其生理功能的同时尽可能缩短其序列。把Piezo变小能在很大程度上推进其应用发展。
 
Question 8:在您的介绍中,不同离子通道的跨膜次数不同,请问跨膜次数对于离子通道的意义是什么?
Answer:非常好的问题,但是我还没有(特别准确)的具体答案。依我的理解,一方面跨膜次数多可以增大覆盖面积,从而增大离子通道的感受域。这样在较大的范围施加力,离子通道都能感知并做出响应,这样它的敏感性就会得到提高。另外一方面,跨膜次数或许和(离子通道)蛋白的弹性有关。因为在一篇文章中比较了不同(离子通道)蛋白单位面积上的跨膜次数,而Piezo蛋白属于(单位面积上跨膜次数)较少的一种。我觉得这可能与通道蛋白的弹性有关,但还没有直接的证据。因此这个方面很值得研究。
 
 
Question 9:调节Piezo蛋白功能的药物是一种化学药物还是天然药物呢?Piezo1小分子药物结构上有羧基,因此整个分子是带负电的。那么电荷是否有影响呢,如果改成正电会如何呢?
Answer:目前发现的都是化学药物。我们也筛选了一些天然的植物,但还没有较好的结果。我们还没有做太多的Structure Activity的研究,因为我们认为它的亲和力还不是特别好。
 
Question 10:对于Piezo蛋白伸展功理论值的计算,您用的是线性模型。我觉Piezo的三个叶片打开时可能不是直接(直线)打开,而是像螺母一样旋转打开,如果是这样的话是否应该用曲线来模拟呢?
Answer 10:这是我们从高度方面进行的一个模型模拟,就像弹簧一样,这样是一个线性模型。当然我们认为除了高度变化,桨叶的旋转也有参与。两个Gate中上面的一个很可能就是通过旋转打开的,我们认为下部是限速因素,上部移动更容易。
 

Question 11:我们的皮肤不同部位对外力的感受敏感性不一样,一方面是皮肤厚度有关系,另一方面是否受感受器分布的影响呢?
Answer 11:这与神经元以及神经末梢在皮肤上分布的密度,以及每个神经末梢上是否有Piezo蛋白的表达以及Piezo蛋白表达的多少都是有关的。因此人皮肤的不同部位有不同的敏感性。
 
Question 12:Piezo蛋白的机理是否对于解释中医中针灸中经络的一些理论有帮助?
Answer 12:前天Nature上发表了一篇文章,指出的就是电针刺激可以影响交感神经调控免疫系统。同理正常的机械刺激(针刺)也可以引发类似反应,响应刺激的受体很可能是Piezo 2蛋白。目前我们还没有开展这类研究,但从科学的角度来解释中医,还是很有趣的。
 
Question 13:我看到有很多机械门控的机制,但我们体内的细胞有很多胞外机制和细胞骨架,这样在真实体内的情况是不是会与机械模型不同?
Answer 13:机械门控主要有两种机制,一种是直接感受膜张力的变化;另一种则是(机械门控)通过与细胞骨架直接连接,细胞(受到外力)形变时细胞骨架发生变化,直接拉扯机械门控使通道打开。Piezo能感受膜张力的改变,也可以与细胞骨架连接,因此它受两方面的共同调控。正如刚才的模型只考虑了膜张力的变化,计算值是2pN/nm,真实值是1.4pN/nm,这可能是由于细胞骨架也贡献了一部分的机械拉力。
 
04
总结回顾

药学实验教学中心主任,药学院教工党支部书记刘清飞老师、药1、探微-药1班主任郝艳丽老师也受邀出席本次论坛,两位老师均表示了对本科生论坛的肯定与对同学们在论坛中学习、进步、交流、成长的期待。本次论坛得到了教务办杨尹老师、合作方展办苍立楠老师的大力支持。
 

在老师、同学们热烈的掌声和快乐的午餐会中,药学院本科生论坛第五期圆满结束。