NOMPC离子通道铰链形成启动机械感觉的弹簧门

2025-02-18 Tue
NOMPC离子通道铰链形成门控弹簧启动机械感觉学术背景机械感觉是生物体感知外界机械刺激并转化为电信号的过程，这一过程在触觉、听觉、重力感知以及内脏和肢体运动中起着至关重要的作用。机械感觉的起始依赖于机械敏感的离子通道（Mechanosensory Transduction Channels, MET通道），这些通道通过门控弹簧（gating spring）将机械力传递到通道的闸门，从而控制通道的开闭。门控弹簧的弹性使得通道能够在机械刺激的作用下在开闭状态之间切换。
长期以来，科学界对门控弹簧的分子身份存在争议。大部分研究聚焦于力传递蛋白如锚蛋白（ankyrin）重复结构域，认为它们可能充当门控弹簧。然而，这些假设缺乏直接的实验证据。本研究通过结合蛋白质结构域复制、机械测量、电生理学、分子动力学模拟和建模，揭示了果蝇机械感觉通道NOMPC的门控弹簧实际上是连接锚蛋白和通道闸门的短链接区（linker helix, LH域），这一发现为理解机械感觉的分子机制提供了新的视角。
论文来源本论文由来自德国哥廷根大学、马克斯·普朗克多学科科学研究所等机构的Philip Hehlert、Thomas Effertz、Ruo-Xu Gu等作者团队共同完成，于2025年2月发表在《Nature Neuroscience》期刊上，题为“NOMPC ion channel hinge forms a gating spring that initiates mechanosensation”。
研究流程1. NOMPC结构域复制的体外实验研究团队首先通过基因工程手段，分别复制了NOMPC的锚蛋白重复结构域（AR域）和链接螺旋结构域（LH域），构建了AR+AR-NOMPC和LH+LH-NOMPC两种变体。这些变体在果蝇S2细胞中异源表达，并通过荧光标记验证了它们在细胞膜上的定位。
随后，研究团队使用膜片钳技术记录了这些变体的自发电流和机械刺激下的电流响应。结果显示，AR域复制对NOMPC的自发活动和机械敏感性几乎没有影响，而LH域复制显著降低了NOMPC的自发活动频率和机械敏感性。具体而言，LH+LH-NOMPC变体在负压刺激下需要更大的压力才能激活通道。
2. NOMPC结构域复制的体内实验为了验证体外实验的结果，研究团队在果蝇的Johnston器官（JO）神经元中表达了NOMPC的变体。Johnston器官是果蝇的听觉器官，NOMPC在其中发挥关键的机械感觉功能。通过记录JO神经元的复合动作电位（CAP），研究团队发现，AR+AR-NOMPC变体能够完全恢复NOMPC缺失突变体的机械敏感性，而LH+LH-NOMPC变体只能部分恢复，表明LH域复制降低了NOMPC的机械敏感性。
3. 门控弹簧刚度的测量研究团队进一步通过测量果蝇触角声接收器的机械特性，评估了NOMPC变体对门控弹簧刚度的影响。结果显示，AR域复制并未显著改变门控弹簧的刚度，而LH域复制使得门控弹簧的刚度降低了一半。这表明LH域是NOMPC门控弹簧的主要组成部分。
4. 分子动力学模拟为了揭示LH域的力学特性，研究团队对NOMPC的部分结构进行了分子动力学模拟，模拟中分别对AR域施加推力和拉力。结果显示，LH域在力的作用下表现出铰链般的运动，其形变远大于AR域。这表明LH域在NOMPC的机械感觉中起到了弹性铰链的作用，能够将力传递到通道闸门。
5. 交叉链接实验为了进一步验证LH域的功能，研究团队通过在LH域中引入半胱氨酸对，使用交叉链接剂MTS6稳定LH域的结构。结果显示，交叉链接后，LH+LH-NOMPC变体的自发活动和机械敏感性恢复到与野生型NOMPC相似的水平。这表明，LH域的弹性铰链结构对其功能至关重要。
主要结果LH域是NOMPC门控弹簧的主要组成部分：LH域复制显著降低了NOMPC的机械敏感性和门控弹簧的刚度，而AR域复制对其影响微乎其微。
LH域具有弹性铰链功能：分子动力学模拟显示，LH域在力的作用下表现出铰链般的运动，能够将力传递到通道闸门。
LH域的功能可以通过交叉链接恢复：通过稳定LH域的结构，LH+LH-NOMPC变体的功能恢复到与野生型NOMPC相似的水平。
结论本研究首次揭示了NOMPC离子通道的LH域作为门控弹簧的分子机制。通过其弹性铰链功能，LH域能够高效地将机械刺激传递到通道闸门，从而启动机械感觉。这一发现不仅解决了长期以来关于门控弹簧分子身份的争议，还为理解其他离子通道的门控机制提供了新的思路。
研究亮点解决了门控弹簧的分子身份问题：通过实验和模拟，研究团队证实了LH域是NOMPC门控弹簧的主要组成部分。
新颖的实验设计：通过结构域复制和交叉链接实验，研究团队系统地验证了LH域的功能。
广泛的应用价值：这一发现不仅适用于NOMPC通道，还可能为其他机械敏感通道和离子通道的门控机制研究提供借鉴。
其他有价值的信息本研究的分子动力学模拟和交叉链接实验为未来的离子通道研究提供了新的方法学工具。此外，研究团队对NOMPC通道的详细功能分析为开发针对机械感觉相关疾病的药物提供了潜在的靶点。