2021年6月8日，北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心、北大-清华生命科学联合中心宋晨研究组与复旦大学生命科学学院、深圳湾实验室闫致强课题组合作在eLife期刊发表了题为“The Push-to-Open Mechanism of the Tethered Mechanosensitive Ion Channel NompC”的研究论文。该研究通过分子动力学模拟及电生理实验发现机械力敏感离子通道NompC受到机械压力刺激时可开启，但对机械拉力不敏感，从而确定了NompC受压开启的门控机制，并从分子层面给出了直观的力学模型及相关物理参数。该机制模型可部分解释果蝇神经细胞响应外界压力的分子机制，对于理解果蝇的方向感，平衡感，触觉，听觉的感知机制具有重要意义。该工作正式发表前已在预印本网站bioRxiv上受到了领域同行的广泛关注，并先后在Annual Review of Neuroscience和 Nature期刊的研究进展综述中被引用1,2。
NompC（No mechanoreceptor potential C）作为TRP家族离子通道的重要成员在线虫（C. elegans），斑马鱼（D. rerio），黑腹果蝇（D. melanogaster）等生物中大量存在3。闫致强和张伟2013年在詹裕农实验室鉴定出NompC是一种可被机械力刺激激活的触觉转导离子通道4，继而张伟2015年在同一实验室确定了该通道的锚蛋白重复区（Ankyrin Repeats，下文称AR区）对其机械力敏感性至关重要5；后续大量的实验研究也表明NompC在黑腹果蝇的方向感、触感、听觉中起到重要作用4-7。然而，由于过去该通道蛋白分子结构的欠缺及研究方法上的局限性，NompC受何种机械力刺激开启以及通道开启的具体分子机制尚不明确。2017年，程亦凡教授组和詹裕农教授组合作解析了NompC的较高分辨率的冷冻电镜结构，显示其胞内具有大量的锚蛋白重复区，可能作为“弹簧”或“铰链”与胞内细胞骨架连接（图1），从而感受细胞形变导致的机械力变化。该独特离子通道结构的解析为利用动力学模拟方法从分子层面上理解该通道蛋白的功能机理打开了大门8。
图1. 机械力敏感离子通道NompC位于黑腹果蝇机械力敏感神经细胞末端，可能利用锚蛋白重复区连接微管和细胞膜。通过分子动力学模拟发现：NompC受到外界挤压力(Compress)刺激时，其离子通道最窄处逐渐变宽，使钠，钾等阳离子得以通过离子通道。
基于上述冷冻电镜结构，宋晨研究组利用全原子分子动力学模拟研究了NompC离子通道对于两种基本类型外界机械力刺激的响应。模拟结果表明，NompC离子通道在无外力（Free）和受到远离细胞膜方向的拉伸力（Stretch）时，通道保持关闭状态。当对AR区施加指向细胞膜方向的挤压力（Compress）时，离子通道逐渐由关闭状态向开启状态转变（图1），钠、钾等阳离子可以在跨膜势存在的条件下稳定连续地通过离子通道，表明NompC离子通道受到挤压力刺激后呈现出了一定程度的开启状态。该模拟结果得到了闫致强实验室的电生理实验所验证，即NompC表达的果蝇神经细胞可被外界压力(Compress)刺激激活，且流过NompC离子通道的电信号随着机械力刺激变大而递增，而对于拉力(Stretch)刺激不敏感。
该工作进一步探究了NompC受挤压时通道开启的具体门控过程。分子动力学模拟轨迹显示，压缩AR区时，TRP区域作为机械力从AR区向蛋白孔道部分传递的关键结构域，相对于平衡结构展现出明显的上翘（平行膜侧视角）和顺时针旋转（胞内视角）的趋势（图1&图2）。受力分析表明，对于AR区四条链的远膜端AR1分别施加指向细胞膜的5 pN推力时，AR区的近膜端不但会产生相应的挤压力，而且会产生方向指向膜外的约为13 pN nm的力矩作用于连接螺旋（Linker Helices，下文称LH）区，该力矩可进一步推动TRP区域顺时针旋转。在同属于TRP家族的TRPV1蛋白结构中， TRP结构域的顺时针旋转及上翘也被认为与通道开启相关，表明TRP结构域的上述构象变化可能是TRP家族中类似蛋白的保守的门控机制。此外，通过系统的分子动力学模拟分析，作者估算出整个AR区的弹簧劲度系数约为13 pN/nm，机械力在AR弹簧区传播的速度约为1.8 nm/ps，与之前报道的机械力在细胞膜里的传播速度相当。作者还分析了在机械力传播路径节点上形成氢键的关键残基对，并通过突变和电生理实验得到了很好的验证。
图2. 机械力敏感离子通道NompC受压开启的力学模型示意图。
基于上述结果，作者提出了NompC离子通道受压开启的力学模型。当细胞受到挤压或体积收缩时，NompC中两端与细胞骨架和LH区相连的AR区受到挤压，AR区作为门控弹簧产生对LH区的推力，可驱动NompC的TRP区产生一定程度的旋转和倾斜，并进一步牵引跨膜螺旋S6的协同运动从而打开离子通道。同时，由于AR弹簧区的特殊螺旋结构，其收到挤压时还会产生使LH及TRP区顺时针旋转（胞内视角）的力矩，也会促进孔道的开启。上述结论，与之前Grabe课题组通过连续体力学方法得到的结论基本相符9。进一步的分析和实验还表明，当AR区被压缩时，细胞膜内外层会产生不对称的应力变化，也可辅助NompC通道打开。可见，与之前大家熟知的受细胞体积膨胀及膜表面张力刺激开启的机械力敏感离子通道不同，NompC可对机械压力产生独特的门控响应，从而可以使细胞感知体积的压缩。
北京大学前沿交叉学科研究院博士后王洋以及复旦大学生命科学学院硕士生郭逸峰为本文的共同第一作者。北京大学宋晨研究员以及复旦大学、深圳湾实验室闫致强教授为本论文的共同通讯作者。闫致强实验室的硕士生李冠鸾参与了该项研究的实验验证工作并做出重要贡献；宋晨研究组的博士生刘春宏、王磊，以及张爱华博士参与了该项研究的理论计算工作并做出重要贡献。本工作得到了国家自然科学基金，科技部重点研发计划，北大-清华生命科学联合中心等方面的资助和支持。北大-清华生命科学联合中心的“北极星”高性能计算平台以及国家超级计算天津中心“天河II”高性能计算平台为该研究提供了部分计算资源。
本稿作者： 王洋，刘春宏
原文链接：https://doi.org/10.7554/eLife.58388
实验室介绍：
北京大学定量生物学中心宋晨研究组运用多尺度计算模拟和深度学习的方法，研究离子通道和抗菌肽等膜蛋白的微观功能机理，旨在深入理解跨膜信号传导和物质转运过程，以及膜蛋白与细胞膜的相互作用等。研究组发展多尺度模拟和深度学习相结合的理论计算方法，并与相关的实验课题组开展广泛深入的合作，致力于膜蛋白与膜现象的生物物理研究，并探索以膜蛋白或细胞膜为靶标的药物分子的设计与优化。欢迎对相关方向感兴趣的研究生或博士后加入本研究组。
详情请见宋晨研究组主页：http://cqb.pku.edu.cn/songgroup/
参考文献
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2 Jin, P., Jan, L. Y. & Jan, Y. N. Mechanosensitive Ion Channels: Structural Features Relevant to Mechanotransduction Mechanisms. Annu Rev Neurosci 43, 207-229, doi:10.1146/annurev-neuro-070918-050509 (2020).
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