単一残基セリン-1612のリン酸化がPiezo1の機械感受性とインビボ機械伝達機能を調節する

本文は、張廷鑫、畢鏳、李祎然などの学者によって執筆された生物医学研究論文で、2024年11月6日に《Neuron》誌に発表されました。研究は清華大学-北京大学生命科学センターのチームによって主導され、メカニカルセンサーであるカルシウムイオンチャネルPiezo1のリン酸化修飾が生理機能においていかに調整されるかを探求しています。論文は、Piezo1が機械感受性の伝導過程において特定の残基のリン酸化を通じてその機能を調整し、血圧の恒常性および運動性能の生理作用を実現することを明らかにしました。この研究は、Piezo1チャネルのポストトランスレーショナル修飾調整機能の空白を補完するだけでなく、潜在的な臨床的意義を持っています。

研究背景

Piezo1とPiezo2は既知の機械感受性陽イオンチャネルであり、内皮細胞、赤血球、骨芽細胞、心筋細胞などの多種多様な細胞タイプにおいて機械的力の伝導過程を媒介します。特にPiezo1は内皮細胞において重要な役割を果たし、血流から引き起こされる剪断力を感知することで血管の発育、血管緊張および血圧の調整を調節します。しかしながら、Piezoチャネルの生体内での生理的重要性は広く認識されているものの、Piezo1チャネルがどのようにポストトランスレーショナル修飾を通じてその機械感受性を調整するのかはまだ明確ではありません。本研究は、Piezo1のリン酸化調整がいかに機械感受性およびその伝導機能を正確に調整するかに焦点を当てています。

研究目的

本研究の主な目的は、Piezo1チャネルのリン酸化部位を明らかにし、そのリン酸化がいかにPiezo1の機械感受性に影響を与えるかを解明することにあります。特にPKAおよびPKCによるリン酸化がPiezo1の機能に与える調整メカニズムを探索します。研究チームは、マウスおよび試験管内細胞を用いて一連の生化学、分子生物学、電気生理学実験を通じてPiezo1の重要リン酸化部位を特定し、その血圧および運動耐久性における生理的機能を検証しました。

研究方法

実験手順および主要技術

1. Piezo1チャネルのリン酸化部位の同定：研究チームはまず生化学的方法を用いて、Piezo1上の1612位目のセリン（S1612）がPKAおよびPKCの主なリン酸化標的であることを特定しました。プルダウン実験と[γ-32P]-ATPを用いた飲み kinase試験により、PKAまたはPKCの存在下でPiezo1タンパク質が特異的にリン酸化されることを確認しました。

2. Piezo1リン酸化の電気生理効果：マウスのPiezo1を用いた細胞膜電流の試験管内電気生理テストにおいて、研究チームはPKAの活性化が8-Br-cAMPを通じてPiezo1チャネルの機械感受性を著しく増加させ、またチャネルの失活速度を著しく減速させることを発見しました。研究は、リン酸化されたPiezo1がより高い機械感受性とより高い耐性を示すことを示しています。

3. 内皮細胞におけるPiezo1チャネルの機能検証：初代培養されたヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVECs）を用いて、PKAアゴニスト8-Br-cAMPとアデニル酸シクラーゼアクティベーターフォルスコリンを適用することで、これらの化合物がPiezo1チャネルの電気生理活性を著しく増強することを発見しました。また、バイオチン化とウエスタンブロット実験を使用することで、PKAの活性化が細胞膜上でのPiezo1の発現量を増加させないことが示されました。

4. 遺伝子編集マウスモデルの構築と機能検証：CRISPR-Cas9遺伝子編集技術を通じて、Piezo1-S1612Aノックインマウスモデルを構築し、この部位をリン酸化されない形態に変異させました。これらのノックインマウスにおいて、変異が引き起こすPiezo1のリン酸化と機能喪失を検出し、S1612部位の生体内リン酸化がPiezo1チャネルの生理機能の調整に決定的に重要であることを示しました。

研究データおよび支持結果

1. 電気生理学的結果：8-Br-cAMP処理後、Piezo1チャネルの最大電流は1534 pAから4090 pAに著しく増加し、失活時間は23 msから69 msに増加しました。これらのデータは、PKA活性化がS1612部位のリン酸化を通じてPiezo1の機械感受性を増加させることを示しています。

2. マウス体内生理学実験：正常なマウスと比較して、Piezo1-S1612Aノックインマウスの夜間血圧は著しく上昇し、運動耐久性テストで悪い結果を示し、S1612リン酸化の欠如がPiezo1チャネルの機械感受性調整に影響を及ぼし、それが血圧と運動性能に影響を及ぼすことを示しています。

研究結論

本研究は、Piezo1チャネルの一つの重要なリン酸化部位S1612を明らかにし、PKAとPKCのリン酸化がPiezo1の機械感受性と失活特性を効果的に調整することを明らかにしました。これにより生理的に血圧の恒常性と運動性能に重要な影響を与えます。この発見は、Piezo1チャネルの体内での複雑な調整メカニズムを理解するのに役立つだけでなく、将来の関連血管疾患治療の潜在的標的を提供します。

研究意義

1. 科学的価値：初めてPiezo1のリン酸化部位を明確にし、Piezo1の構造-機能調節ネットワークを補完し、多種多様な細胞タイプにおけるPiezo1の生理作用を探る新しいアプローチを提供しました。

2. 臨床応用価値：Piezo1が血管、神経、骨組織など多種多様な組織で果たす役割を踏まえ、このリン酸化メカニズムが高血圧、心血管疾患、骨粗鬆症などの関連疾患の新しい分子標的となり得る可能性があります。

研究ハイライト

1. Piezo1の重要なリン酸化部位S1612の調整メカニズムを発見：リン酸化によりチャネルの機械感受性が変化し、Piezo1の機能調整に新たな視点を提供しました。

2. 遺伝子編集技術を用いてPiezo1-S1612Aノックインマウスを構築：リン酸化がPiezo1チャネル機能に与える重要な役割を検証し、Piezo1の体内生理機能を探るための独特なモデルを提供しました。

3. PKAとPKCがPiezo1リン酸化における機能を明らかに：将来的なターゲット薬開発に向けた科学的裏付けを提供しました。

その他の情報

研究は実験デザインにおいて多層的、多手法を採用し、リン酸化部位S1612の重要性を検証し、電気生理学、プロテオミクス、遺伝子編集技術を応用し、研究品質が高いです。さらに、実験データとコードは要求に応じて提供され、詳細な実験方法が付属しており、研究の透明性と再現性が高いです。

この研究は、Piezo1チャネルのリン酸化部位S1612が血圧と運動性能の調整において重要な役割を果たすことを示しています。この発見は、機械感受性チャネルの生理調整メカニズムの理解に重要な価値があるだけでなく、関連疾患治療の新しい標的を提供し、Piezo1関連分野の研究進展を促進しました。