機(jī)械敏感性離子通道Piezo2的研究進(jìn)展

徐曼秋,費(fèi)素娟

將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為各種生物活動的過程稱為機(jī)械傳導(dǎo)。機(jī)械敏感性陽離子通道是一類重要的機(jī)械傳導(dǎo)分子，它可將機(jī)械力快速轉(zhuǎn)換成電化學(xué)信號。哺乳動物依靠感知機(jī)械力來傳導(dǎo)刺激以完成多種生理活動。例如觸覺﹑痛覺的感知，血管發(fā)育和血壓的調(diào)節(jié)等。Piezo2作為一種機(jī)械敏感性陽離子通道在哺乳動物多種生理活動起重要作用。本文將對該通道的最新研究進(jìn)展作一綜述，希望為找尋相關(guān)疾病的新型治療策略提供思路。

1 Piezo2的分布、結(jié)構(gòu)及其調(diào)節(jié)

1.1Piezo2的組織分布Piezo2是將小核糖核酸干擾技術(shù)應(yīng)用于小鼠Neuro2A細(xì)胞系而發(fā)現(xiàn)的一種新型機(jī)械力敏感非選擇性陽離子通道。它存在于大鼠大部分軀體感覺神經(jīng)元低閾值機(jī)械感受器，在非傷害性觸覺感受中起作用。Piezo2在大鼠小腸和直腸黏膜層也有明顯表達(dá)，且在直腸主要存在于黏膜腺上皮細(xì)胞的胞膜上，在黏膜下層和肌層無明顯表達(dá)[1]。Piezo2還表達(dá)于大鼠牙周膜成纖維細(xì)胞，該通道在牙周膜中可能具有獨(dú)立的機(jī)械敏感感知功能[2]。Bron等[3]發(fā)現(xiàn)豚鼠部分角膜傳入神經(jīng)元上有Piezo2表達(dá)，這部分神經(jīng)元不包括多覺型傷害性感受器和冷感覺神經(jīng)元。近來有報(bào)道稱Piezo2也表達(dá)于結(jié)狀神經(jīng)節(jié)、頸靜脈神經(jīng)節(jié)、脊髓感覺神經(jīng)節(jié)和肺，并可參與呼吸調(diào)控。背根神經(jīng)節(jié)和頸靜脈神經(jīng)元缺乏Piezo2會導(dǎo)致新生小鼠死于呼吸窘迫。而僅在結(jié)狀神經(jīng)元中關(guān)閉Piezo2的小鼠可長到成年，但會阻止赫—布反射激活，導(dǎo)致肺充盈過度[4]。在人體中，Piezo2主要分布于三叉神經(jīng)感覺細(xì)胞、背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、Merkel細(xì)胞和體神經(jīng)元細(xì)胞、小腸黏膜等[5]。在某些有髓和無髓背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元中Piezo2還與瞬時受體電位離子通道亞家族成員V1(TRPV1)共表達(dá)。

1.2Piezo2的結(jié)構(gòu)Piezo2與所有已知的離子通道類型，如電壓門控通道或配體門控通道、瞬時感受器電位通道、原核生物機(jī)械敏感性通道或真核生物機(jī)械敏感性雙孔鉀離子通道等相比都沒有明顯的序列和結(jié)構(gòu)同源性。白濤等[6]利用在線系統(tǒng)對Piezo2蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域、翻譯后修飾位點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測分析，發(fā)現(xiàn)人Piezo2蛋白理論上存在35個跨膜結(jié)構(gòu)域、4個酰胺化位點(diǎn)、16個胺糖基化位點(diǎn)、8個環(huán)磷酸腺苷(cAMP)和環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)依賴性蛋白激酶磷酸化位點(diǎn)、32個酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位點(diǎn)、19個豆蔻?；稽c(diǎn)、32個蛋白激酶C磷酸化位點(diǎn)、以及2個酪氨酸激酶磷酸化位點(diǎn)。此外，人Piezo2含2 752個氨基酸，其中1 301個氨基酸可能形成α螺旋，537個氨基酸形成延伸鏈，204個氨基酸形成β轉(zhuǎn)角，710個氨基酸形成無規(guī)卷曲。

1.3Piezo2的調(diào)節(jié)Piezo2可感受機(jī)械刺激，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，產(chǎn)生快適應(yīng)機(jī)械敏感電流，從而發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，緩激肽可通過激活緩激肽受體β2及包含蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC)的下游信號通路使得HEK293細(xì)胞和老鼠離體培養(yǎng)背根神經(jīng)節(jié)(DRG)神經(jīng)元中Piezo2介導(dǎo)的機(jī)械激活電流幅值顯著增加、衰減減慢[7]。Jia等[8]用膜片鉗技術(shù)檢測Piezo2通道電流，實(shí)驗(yàn)中他們使用含有三磷酸鳥苷(GTP)的電極內(nèi)液并采用常規(guī)全細(xì)胞膜片鉗記錄模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)小直徑背根神經(jīng)節(jié)(DRG)神經(jīng)元和HEK293細(xì)胞中Piezo2介導(dǎo)的快適應(yīng)機(jī)械敏感電流較未使用GTP時明顯增強(qiáng)，這說明GTP在Piezo2通道調(diào)節(jié)中起一定作用。Jia等[9]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背根神經(jīng)節(jié)初級傳入神經(jīng)元和異源表達(dá)Piezo2的HEK293細(xì)胞滲透性腫脹，靜態(tài)質(zhì)膜張力(SPMT)增加時，它們當(dāng)中的快適應(yīng)機(jī)械敏感電流顯著增強(qiáng)。而使用細(xì)胞松弛素D裂解對維持SPMT起重要作用的微管后，上述效應(yīng)便消失。說明初級傳入神經(jīng)元中Piezo2介導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)受到SPMT的調(diào)節(jié)。此外，cAMP是一種與機(jī)械性異常性疼痛和痛覺高敏形成有關(guān)的細(xì)胞內(nèi)信使,可增強(qiáng)HEK293細(xì)胞中以及老鼠DRG神經(jīng)元中Piezo2活性[10]。而鳥嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)化因子交換蛋白1(Epac1)過表達(dá)也可通過cAMP途徑增強(qiáng)人Piezo2活性。秀麗隱桿線蟲中嗅覺神經(jīng)相關(guān)蛋白STOML3可通過增加Piezo2對機(jī)械刺激的敏感性而增強(qiáng)其功能。

Borbiro等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，在背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元或異源表達(dá)系統(tǒng)中，辣椒素可激活TRPV1，引起Ca2+內(nèi)流，激活Ca2+敏感PLCδ酶,使PLCδ活化,消耗細(xì)胞膜磷脂酰肌醇4,5二磷酸及其前體磷脂酰肌醇4磷酸,從而抑制Piezo2通道的活性。多種化合物如鏈霉素、釕紅、釓也可阻斷機(jī)械敏感陽離子通道,是Piezo2的非特異性阻斷劑，30 μmol/L釕紅或30 μmol/L 釓可阻斷大約80%的Piezo2介導(dǎo)電流[12]。另外，D-GsTMx4也是Piezo2通道的重要抑制劑，它并不直接作用于該通道，而是透過細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層并與之形成跨膜耦聯(lián)，使膜的流動性發(fā)生改變，從而影響脂質(zhì)雙層向膜蛋白和膜微區(qū)傳導(dǎo)機(jī)械張力，起到抑制Piezo2的作用[13]。

2 Piezo2的功能

2.1Piezo2與本體感覺Woo等[14]研究發(fā)現(xiàn)Piezo2表達(dá)于老鼠支配本體感受器肌梭和腱器官的感覺神經(jīng)末梢。在老鼠出生后不久關(guān)閉其本體感覺神經(jīng)元Piezo2，它們表現(xiàn)為嚴(yán)重的軀體運(yùn)動異常和肢體定位異常。三叉神經(jīng)中腦核(MTN)機(jī)械感覺神經(jīng)元選擇性支配頜肌肌梭介導(dǎo)牙周韌帶的牽拉反射和活動。Florez-paz等[15]發(fā)現(xiàn)MTN快適應(yīng)機(jī)械敏感電流與Piezo2有關(guān)，敲除上述神經(jīng)元上Piezo2后，該電流幾乎完全消失。此外，研究者通過基因修改使本體感受器發(fā)出熒光，并將這些細(xì)胞取出放入培養(yǎng)皿，用玻璃探頭撩撥，測量此時產(chǎn)生的電脈沖，發(fā)現(xiàn)即使將老鼠腿部肌肉從身上取下，對其加以拉伸，腿部肌肉仍會發(fā)出同樣的脈沖。而Piezo2缺失老鼠對撩撥和牽拉沒有反應(yīng)。這些結(jié)果說明，本體感受器起效的基本原理是檢測拉力，其細(xì)胞膜感受到拉力后使Piezo2通道開放并產(chǎn)生電脈沖，通過脊髓傳遞給大腦。

2.2Piezo2與輕觸覺Merkel細(xì)胞是樹枝狀細(xì)胞的一種，位于光滑皮膚的基底細(xì)胞層及有毛皮膚的毛盤，多數(shù)情況下位于神經(jīng)末梢。它具有許多感受器特征，能和Ⅰ型感覺神經(jīng)纖維形成突觸樣連接。老鼠Merkel細(xì)胞能主動參與觸覺感受，其作用方式呈現(xiàn)為快速、觸覺機(jī)械敏感型化學(xué)電流[16]。Ranade等[17]開發(fā)出一種條件性基因敲除小鼠品系，完全刪除了小鼠成熟背根神經(jīng)節(jié)感覺神經(jīng)元和Merkel細(xì)胞中的Piezo2。之后對來自這些小鼠的體外培養(yǎng)神經(jīng)元進(jìn)行電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它們喪失了對感知輕觸覺所需的機(jī)械刺激幾乎所有的反應(yīng)。與正常小鼠相比，Piezo2條件性基因敲除小鼠對輕觸刺激的反應(yīng)性顯著下降，但對引起正常疼痛的皮膚刺激如冷、熱、擰捏等仍有反應(yīng)。這些結(jié)果說明，Piezo2充當(dāng)了Merkel細(xì)胞的觸覺傳感器。Merkel細(xì)胞中Piezo2通道可將觸覺刺激轉(zhuǎn)化為Ca2+動作電位，使得Aβ傳入神經(jīng)末梢發(fā)放慢適應(yīng)電沖動，啟動觸覺感受[18]。此外，特異性敲除Merkel細(xì)胞中Piezo2基因后，細(xì)胞應(yīng)對機(jī)械應(yīng)力的電流發(fā)生紊亂。可見Piezo2參與調(diào)節(jié)Merkel細(xì)胞應(yīng)對機(jī)械刺激的神經(jīng)終板電流的動態(tài)平衡[19]。

2.3Piezo2與疼痛在探究內(nèi)皮素-1誘發(fā)的機(jī)械性痛覺超敏時發(fā)現(xiàn)，向大鼠后爪背部皮內(nèi)注射Piezo2 mRNA反義寡核苷酸序列或其錯配寡核苷酸序列6 h后，向相同部位注射內(nèi)皮素-1，傷害性刺激痛覺高敏消失。而鞘內(nèi)注射相同劑量的反義寡核苷酸并不會減弱傷害性刺激痛覺超敏，這說明Piezo2在內(nèi)皮素-1誘發(fā)的傷害性刺激痛覺超敏中起機(jī)械力傳導(dǎo)作用。局部外周應(yīng)用Piezo2反義寡核苷酸后，其通過作用于皮膚表達(dá)Piezo2的細(xì)胞(而不是作用于初級傳入傷害性感受器)，起到減輕傷害性刺激痛覺高敏的作用。此外，F(xiàn)errari等[20]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Piezo2通道還在奧沙利鉑誘發(fā)神經(jīng)病理性疼痛中發(fā)揮作用。靜脈應(yīng)用辛苯聚糖-9或外周應(yīng)用Piezo2 mRNA 反義寡核苷酸可減弱血管內(nèi)皮細(xì)胞功能，減輕奧沙利鉑誘發(fā)外周神經(jīng)病理性疼痛大鼠機(jī)械性痛覺高敏。Bai等[21]在研究腸上皮細(xì)胞Piezo2表達(dá)與內(nèi)臟痛閾之間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，小腸Piezo2表達(dá)與內(nèi)臟高敏感性之間沒有關(guān)聯(lián)，而結(jié)腸Piezo2表達(dá)與內(nèi)臟高敏感性呈負(fù)相關(guān)(r=-0.718，P<0.01)。Bron等[22]發(fā)現(xiàn)炎癥機(jī)械性痛覺高敏相關(guān)物質(zhì)緩激肽可增強(qiáng)不同表達(dá)系統(tǒng)和離體培養(yǎng)老鼠不同大小DRG神經(jīng)元中機(jī)械激活Piezo2電流。此外,研究表明選擇性Epac1激動劑8-pCPT可使機(jī)械門控Piezo2電流增強(qiáng)，老鼠感覺神經(jīng)敏感性增強(qiáng)，痛覺閾值降低[23]。另外，大量證據(jù)表明5-羥色胺(5-HT)在腸易激綜合征內(nèi)臟高敏中起重要作用，而Piezo2在小腸腸嗜鉻細(xì)胞高度表達(dá)，其可感受機(jī)械刺激并促進(jìn)5-HT釋放[24]。Vásquez等[25]在研究Merkel細(xì)胞軸突復(fù)合體在辣椒素引起的大鼠面部感覺神經(jīng)元敏化中的作用時發(fā)現(xiàn)，注射辣椒素后出現(xiàn)的急性疼痛行為在大鼠觸須毛囊Piezo2敲除后顯著減弱。這說明，Merkel細(xì)胞軸突復(fù)合體可能與多種炎癥和慢性神經(jīng)病理性疼痛狀態(tài)下的觸誘發(fā)痛有關(guān)，Merkel細(xì)胞中的Piezo2或許可以作為新型鎮(zhèn)痛劑的作用靶點(diǎn)。

2.4Piezo2與疾病Piezo2突變與多種遺傳性疾病有關(guān)。Gordon綜合征(GS)是一種罕見的常染色體顯性遺傳病，表現(xiàn)為肌肉關(guān)節(jié)功能不全，上下肢攣縮，馬蹄內(nèi)翻足，先天性指屈曲，腭裂。Mcmillin等[26]通過對患有該病的家族成員進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)12個患病家族成員中有10例伴有Piezo2突變，而其中9例有相同的錯義突變c.8057G>A(p.A rg2686 His)。且腭裂與c.8057G>A突變密切相關(guān)。因此，Piezo2雜合突變被認(rèn)為是引起GS的主要原因。Coste等[27]發(fā)現(xiàn)Piezo2功能獲得性突變也存在于Marden-Walker綜合征(MWS)，即5型遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)攣縮病人。此外，Piezo2 雙等位基因缺失會引起肌肉萎縮、圍生期呼吸窘迫、關(guān)節(jié)攣縮和脊柱側(cè)突[28]。研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分致病性Piezo2突變是其高度保守C末端結(jié)構(gòu)域氨基酸發(fā)生改變，c.8057G>A突變引起2686位點(diǎn)氨基酸被組氨酸取代(p.Arg2686 His)。此外,有報(bào)道稱某些MWS病人相同位點(diǎn)氨基酸被半胱氨酸取代(p.Arg2686 Cys)[29]。但這些錯義突變對蛋白質(zhì)功能的影響仍不清楚。

此外，Piezo2 還與腫瘤血管生成和高滲透性有關(guān)。Yang等[30]將scrambled shRNA 或Piezo2 shRNA轉(zhuǎn)染的GL261腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞注射到裸鼠右側(cè)背部皮下，發(fā)現(xiàn)Piezo2 shRNA轉(zhuǎn)染細(xì)胞中Piezo2表達(dá)顯著減少。腫瘤接種2周后，Piezo2 shRNA轉(zhuǎn)染組小鼠腫瘤體積顯著縮小。通過標(biāo)記腫瘤組織中細(xì)胞核增殖抗原ki67和DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法(TUNEL檢測法)發(fā)現(xiàn)敲除Piezo2使增殖中的ki67陽性細(xì)胞顯著減少，TUNEL陽性凋亡細(xì)胞增多。這些結(jié)果說明，敲除Piezo2可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡、抑制腫瘤細(xì)胞增殖，從而抑制腫瘤生長。敲除腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞Piezo2后，腫瘤血管密度降低，血管泄露減少。研究發(fā)現(xiàn)，敲除Piezo2后，人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECS)存活、增殖、遷移能力以及腫瘤細(xì)胞增殖、遷移和侵襲能力均顯著下降。這說明敲除Piezo2會影響內(nèi)皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞功能。敲除Piezo2還可減少血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)或白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)介導(dǎo)的病理性血管生成、血管泄露，并可使胞內(nèi)Ca2+改變，Wnt11/β-catenin信號下調(diào)，內(nèi)皮細(xì)胞血管生成活動發(fā)生改變。

3 展望

綜上所述，隨著對Piezo2在腫瘤血管生成中作用的深入研究,Piezo2很可能成為抗腫瘤治療的新靶點(diǎn)。另一方面,Piezo2參與神經(jīng)病理性疼痛、觸誘發(fā)痛等多種疼痛相關(guān)過程，阻斷Piezo2可使疼痛得到緩解，這為新型止痛藥的研究提供了新思路。盡管如此，關(guān)于該通道的很多問題仍有待解決，如該通道是如何感受機(jī)械刺激并開放的、它在不同感覺和非感覺組織中起到怎樣的作用等。Piezo2是離子通道領(lǐng)域的一新發(fā)現(xiàn)，其更多功能還有待進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。