在单一残基丝氨酸-1612的磷酸化调节Piezo1的机械敏感性和体内机械传导功能
本文是由张廷鑫、毕铖、李祎然等学者撰写的一篇生物医学研究论文，于2024年11月6日发表在《Neuron》期刊上。研究由清华大学-北京大学生命科学中心的团队主导，探讨了机械敏感性钙离子通道Piezo1的磷酸化修饰在生理功能中的调控机制。该论文揭示了Piezo1在机械敏感性的转导过程中，通过特定残基磷酸化来调节其功能，以实现血压稳态及运动表现的生理作用。此研究不仅填补了Piezo1通道后转录修饰调控机制的空白，还具有潜在的临床意义。
研究背景
Piezo1和Piezo2是已知的机械敏感性阳离子通道，它们在多种细胞类型中介导机械力的转导过程，如内皮细胞、红细胞、成骨细胞、心肌细胞等。Piezo1特别在内皮细胞中发挥关键作用，通过感知血流引发的剪切力来调控血管发育、血管张力和血压调节。然而，尽管Piezo通道在体内的生理重要性已得到广泛认可，Piezo1通道如何通过后转录修饰实现其机械敏感性调节仍未明晰。该研究关注的是Piezo1磷酸化调控如何实现对机械敏感性及其转导功能的精确调控。
研究目的
此研究的主要目标在于揭示Piezo1通道的磷酸化位点，以及其磷酸化如何影响Piezo1的机械敏感性，特别是探讨PKA和PKC介导的磷酸化对Piezo1功能的调控机制。研究团队在小鼠和体外细胞中通过一系列生物化学、分子生物学和电生理学实验，鉴定了Piezo1的关键磷酸化位点并验证其在血压和运动耐力中的生理功能。
研究方法
实验流程及关键技术
Piezo1通道磷酸化位点的鉴定：研究团队首先应用生化方法确定了Piezo1上的一个关键位点，即第1612位丝氨酸（S1612），是PKA和PKC的主要磷酸化靶点。通过拉下实验与[γ-32P]-ATP的体外激酶实验，确定了Piezo1蛋白在存在PKA或PKC的条件下会被特异性磷酸化。
Piezo1磷酸化的电生理效应：使用小鼠Piezo1在细胞膜电流的体外电生理测试，研究团队发现PKA激活可以通过8-Br-cAMP显著增加Piezo1通道的机械敏感性，同时显著减慢通道的失活速度。研究表明，磷酸化后的Piezo1表现出更高的机械敏感性和更强的耐受性。
Piezo1通道在内皮细胞中的功能验证：通过原代培养的人脐静脉内皮细胞(HUVECs)，应用PKA激动剂8-Br-cAMP和腺苷酸环化酶激活剂forskolin，研究发现这些化合物可以显著增强Piezo1通道的电生理活动。同时，使用生物素化与蛋白印迹实验显示，PKA激活并不会增加Piezo1在细胞膜上的表达量。
基因编辑小鼠模型的构建与功能验证：通过CRISPR-Cas9基因编辑技术，构建了Piezo1-S1612A敲入小鼠模型，使该位点突变成无法被磷酸化的形式。在这些敲入小鼠中检测到突变导致的Piezo1磷酸化和功能缺失，表明S1612位点在体内的磷酸化对调节Piezo1通道的生理功能至关重要。
研究数据及支持结果
电生理学结果：在使用8-Br-cAMP处理后，Piezo1通道的最大电流从1534 pA显著增加到4090 pA，失活时间从23 ms增加到69 ms，这些数据表明PKA活化可通过S1612位点磷酸化增加Piezo1的机械敏感性。
小鼠体内生理学实验：相比正常小鼠，Piezo1-S1612A敲入小鼠在夜间的血压显著升高，而在运动耐力测试中表现出较差的结果，表明S1612磷酸化缺失影响了Piezo1通道的机械敏感性调控，进而影响血压和运动表现。
研究结论
本研究揭示了Piezo1通道的一个关键磷酸化位点S1612，通过PKA和PKC的磷酸化可以有效调控Piezo1的机械敏感性和失活特性，从而在生理上对血压稳态和运动表现具有重要影响。这一发现不仅有助于理解Piezo1通道在体内的复杂调控机制，也为未来治疗相关血管疾病提供了潜在靶点。
研究意义
科学价值：首次明确了Piezo1的磷酸化位点，补充了Piezo1的结构-功能调控网络，为深入探讨Piezo1在多种细胞类型中的生理作用提供了新思路。
临床应用价值：由于Piezo1在血管、神经和骨骼等多种组织中发挥作用，这一磷酸化机制可能成为治疗相关疾病的新型分子靶点，比如高血压、心血管疾病以及骨质疏松等。
研究亮点
发现了Piezo1关键磷酸化位点S1612的调控机制：通过磷酸化改变通道的机械敏感性，为Piezo1的功能调控提供了新的视角。
利用基因编辑技术构建Piezo1-S1612A敲入小鼠：验证了磷酸化对Piezo1通道功能的关键作用，为探索Piezo1在体内的生理功能提供了独特的模型。
阐明了PKA和PKC在Piezo1磷酸化中的功能：为未来开发针对性药物提供了科学依据。
其他信息
研究在实验设计上采用了多层次、多手段的方法验证了磷酸化位点S1612的重要性，应用了电生理、蛋白质组学和基因编辑技术，研究质量较高。此外，实验数据和代码可按需提供，并附有详细的实验方法，研究的透明性和可重复性较高。
此研究表明，Piezo1通道的磷酸化位点S1612在调控血压和运动表现方面发挥了关键作用。该发现不仅对理解机械敏感性通道的生理调控机制具有重要价值，还可能为相关疾病的治疗提供新的靶点，推动了Piezo1相关领域的研究进展。