要充分信任自己的學生、博士后，給予他們充分的時間和環境去大膽嘗試。

 

受訪 | 肖百龍（清華大學藥學院教授）

 

采訪 | Idobon

 

2021年的諾貝爾生理學或醫學獎頒發給了美國生理學家David Julius與亞美尼亞裔美國神經科學家Ardem Patapoutian，以表彰他們發現了溫度覺和觸覺的受體（“for their discoveries of receptors for temperature and touch”）。神經科學領域再次受到學界和大眾的高度關注。

 

其中，Ardem實驗室首次鑒定了哺乳動物中感受機械力的陽離子通道Piezo家族，并發現它們在觸覺、本體感知等方面的重要作用。當時，清華大學藥學院教授肖百龍正在美國斯克利普斯研究所（The Scripps Research Institute）跟隨Ardem Patapoutian教授從事神經科學博士后研究，見證并參與了這項偉大的科學發現?！斗禈恪吩陬C獎后的第一時間采訪到肖教授，請他為我們講述Piezo蛋白背后的科研故事和將來的探索方向。

 

返樸：您在Aderm 實驗室做博后期間，見證了Piezo蛋白的發現?？梢越榻B一下這個發現背后的故事嗎？

 

肖百龍：2007年，我到Ardem實驗室做博后，那時他們正在做溫度門控的離子通道，也就是溫度的分子受體的鑒定發現與研究。他們已經報道了幾個溫度感知的分子受體，有感受涼爽的離子通道TRPM8，感知溫熱的TRPV3和感知冷的TRPA1。當時Ardem還是副教授，實驗室充滿活力，感覺很有前景，我也因此選擇了加入這個實驗室，做一些與溫度感知相關的工作。

 

那時，隨著TRP家族的發現，溫度感知已經取得很多突破。但在感知領域還有個大家都很關注的、非常重要的問題還沒有解決：是什么蛋白分子介導了機械力的感知？換言之，觸覺系統的分子基礎還是未解之謎。當時領域內許多實驗室，包括David Julius 實驗室，都在尋找這個蛋白分子。

 

但機械力感知的研究很困難，沒有高通量的篩選方法，只能用電生理技術對單個細胞施加機械力刺激，讓它產生電流，來尋找相關的分子。這個技術非常有難度，實驗室還沒有人專門投入到機械力敏感離子通道的篩選工作上。到了2007年下半年，Ardem實驗室招收了一個博士后叫Bertrand Coste。Bertrand在法國接受了三年的博士訓練，主要工作就是記錄背根神經節的機械敏感電流，有非常扎實的電生理技術，和Ardem的需求非常匹配。

 

Bertrand篩選離子通道的策略是：

 

1. 先篩選細胞系，看哪些細胞系會產生機械敏感的電流。他發現N2A細胞能響應機械力，產生內向電流。

 

2. 然后利用RNA profiling技術，找到N2A細胞中高表達的膜蛋白（兩次跨膜以上）編碼基因，共確定了500多個候選基因。

 

3. 接著便是對這些基因逐一敲低（knock down）。這是一項高度重復的艱苦工作，最終在第72個候選基因上，找到了決定N2A細胞機械敏感電流的基因，FAM38a。后來根據希臘語，將這個蛋白命名為“Piezo”，意思是壓力。

Piezo蛋白的電生理篩選過程示意。用黑色針頭戳細胞膜（施加機械力刺激），在另一側用玻璃電極記錄細胞膜上的電流變化。細胞膜受力后，Piezo通道打開，陽離子流入細胞，玻璃電極即可記錄到內流電流。Bertrand Coste先用這一方法找到了Piezo1，又根據序列同源比對找到了Piezo2。丨來源：https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/

 

Bertrand大概花了三年時間，成功找到了感受機械力的蛋白，要總結一些成功要素的話，最重要的是他的電生理訓練非常扎實，實驗工作非常嚴謹。但回頭來看其實也有一定的運氣成分。一方面，根據篩選策略，Piezo蛋白在N2A細胞里是高表達，而在對照組細胞C2C12細胞里應該是低表達，但實際情況并不符合設想的模式。實際情況是Piezo蛋白——我們后來知道是Piezo1——在C2C12細胞里的表達比N2A細胞中更高。另一方面，有500多個備選基因，Bertrand能在第72個就找到，實屬幸運。如果目標在后面，那可能就要花五六年的時間去找，很難說能否堅持下去。

 

返樸：三年找一個蛋白，Bertrand想必壓力很大。當時他是怎么應對的呢？Ardem作為導師又是什么態度呢？

 

肖百龍：Bertrand在這個課題進展過程中的確承受著很大壓力。當時我的課題是鑒定一個新的溫度感知受體，有了一定進展，那時候Bertrand還沒鑒定出Piezo，我們就討論可以一起合作研究這個新型的溫度受體，這樣萬一鑒定工作不順利，Bertrand也能有論文，對他的職業生涯有幫助。但一段時間后，Bertrand成功篩選到了Piezo1。后續的實驗證實，敲低Piezo1可以使N2A細胞喪失感知機械力的能力，而且在其他對力不敏感的細胞——比如HEK293T細胞中——過表達Piezo1，能使HEK293T細胞獲得機械敏感性。這就完全證實了他的發現：Piezo1基因是編碼介導機械敏感陽離子電流的必要與充分組成成分。

 

這個發現出來以后，Bertrand, Ardem以及實驗室成員都很興奮，大家都意識到這是一個非常重要的突破，整個實驗室也從溫度受體迅速轉向，投入到Piezo的研究中。

 

Ardem的實驗室環境總體是非常寬松友好，大家效率也很高，壓力主要來自我們自己。而Ardem則非常包容，給大家足夠的信任，讓大家自由探索。我從Ardem身上也學到了這一點，要充分信任自己的學生、博士后，給予他們充分的時間和環境去大膽嘗試。當然，Ardem實驗室主要都是經過良好學術訓練的博士后，大家有足夠的學術積累和技術特長去主導自己的課題。

 

返樸：Piezo蛋白和我們的健康究竟有哪些關系？

 

肖百龍：Piezo家族有兩個成員，一個是Piezo1，一個是Piezo2。Piezo2直接和我們的觸覺感知相關。正常人的撫摸、擁抱、使用各種工具，比如觸摸手機屏幕，都需要Piezo2的參與。還有“本體覺”，就是我們自身的肌肉狀態，比如走路時保持平衡，是因為神經系統中的Piezo2能監測到肌肉的整張度。另外，我們的內臟器官的機械變化，譬如血壓、呼吸、膀胱充盈度等也被Piezo2所監控。

 

已有非常明確的遺傳學證據表明，如果Piezo2突變或者缺失，會引發明顯的觸覺缺陷，病人對震動、觸碰的敏感性會顯著降低。另外，本體感覺能力會受到很大影響，例如，蒙住病人的眼睛，屏蔽視覺信息，病人就走不穩路，摸東西也摸不準。甚至還會導致骨骼系統變形，例如，脊柱中正是因為兩側肌肉牽拉，張力平衡，而缺失Piezo2的病人無法感受肌肉張力，兩側肌肉就會失去穩態，導致脊柱發生嚴重的彎曲、變形。還有，病人會因為不能感知膀胱充盈度而出現泌尿異常。

Piezo2介導了觸覺的感知，在人的機械痛、排尿、呼吸、血壓、骨骼重塑等生理過程中起著重要作用。來源丨https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/

 

Piezo1的表達就很廣泛了。比如心血管系統，Piezo1在血管內皮細胞、紅細胞、上皮細胞、心肌細胞上都有表達，起著很重要的作用。有一種疾病就是由Piezo1功能太強導致的，會造成紅細胞變形，令其攜帶氧氣的功能發生紊亂，造成貧血。而Piezo1缺失則會導致淋巴管水腫、胚胎流產等癥狀。

 

我們自己的工作發現，Piezo1在心肌細胞里表達，參與感知心臟收縮舒張所產生的劇烈機械變化，從而調控心臟穩態；心臟病患者的Piezo1表達會出現上調。我們與合作者還發現，Piezo1對骨的生成和重塑非常重要。長期臥床或在太空失重會導致嚴重骨質丟失，而骨骼之所以能感受到重力，是因為成骨細胞中表達了Piezo1。當我們從小鼠中敲除Piezo1，小鼠會出現嚴重的骨質丟失；而骨質丟失病人的體內，Piezo1表達下調了。

 

返樸：也就是說，雖然這次諾獎的發獎理由使用的“touch”這個詞，媒體報道為觸覺，但其實“touch”并不是簡單的“手摸到了什么東西”，它其實非常廣泛，甚至是每個細胞對力的感知，可以這么說嗎？

 

肖百龍：對！從力學的角度來說，只要有接觸就會有力的產生，因此只要有接觸就會造成力的感知，這個感知很有可能就是通過Piezo通道來介導的。Piezo2主要和觸覺、本體覺、內臟覺機械力感知相關，而Piezo1則在機體的很多細胞組織中都存在。有研究發現它在癌細胞里也有表達，對癌細胞的增殖與轉移起著重要作用，因為癌細胞的遷移也會涉及到力的感知。從這個角度來說，Piezo通道的功能非常廣泛，因而也是無比重要的。

 

返樸：您在Ardem 實驗室參與了Piezo最初的重要工作，成為獨立PI后，又做出了很多推動性成果，可以介紹下您和其他實驗室在Piezo領域的重要成果嗎？

 

肖百龍：2010年Ardem實驗室在Science上報道了Piezo蛋白介導機械力感知以后，就有很多后續問題等待解決。這個基因編碼的蛋白非常獨特，有2500個氨基酸，預測有30~40次跨膜，是人類蛋白中跨膜次數最多的一類膜蛋白，而且與已知的其他電壓門控離子通道——例如鈣通道、鈉通道、鉀通道或溫度敏感TRP通道（譬如這次獲獎的另一主角TRPV1）——沒有任何序列上的類似性。因此2010年的這篇文章只能下結論說Piezo是力感知器的重要組成部分，但不能確定它是直接感受機械力的成孔離子通道。畢竟還存在著另外一種可能性，Piezo蛋白可能是成孔亞基的輔助亞基，賦予機械敏感性。

 

為了解決這個問題，Bertrand和我展開了合作。我在博士期間做過蘭尼堿受體（Ryanodine receptors）的生化、結構、功能研究，對大型膜蛋白有很好的研究背景。于是我第一個把Piezo1蛋白重組表達純化出來，證明它形成多聚體，并組裝在脂雙層上。我們發現在沒有其他任何細胞成分的人工膜環境下也能記錄到陽離子電流存在，證實了Piezo1是一類全新的感受機械力的離子通道。這篇文章2012年發表在Nature上，我和Bertrand是共同一作。這就是我早期在Ardem實驗室參與的工作。

 

Piezo通道這類全新機械門控離子通道家族的發現和確立帶來了很多契機。一方面，需要證明它的病理、生理功能的重要性，通過在小鼠、果蠅、斑馬魚等模式動物上敲除這個基因，看看會發生什么表型改變。另一方面，這個離子通道在分子機制上是怎么工作的？換言之：Piezo通道蛋白怎么將機械力刺激轉化為離子的選擇性通透、轉化為電信號？這是一個核心問題。

 

2013年1月，我在清華組建了自己的課題組。

 

我們知道2013年程亦凡和David Julius合作用冷凍電鏡解析了TRPV1的原子分辨率的結構，而Piezo蛋白是一個非常復雜的全新蛋白，如果不了解它的結構，要去研究它的機制會非常困難。因此我決定改變研究范式，先獲得結構，再做功能機制研究，這樣會更加高效?；谖易约旱难芯勘尘?、利用在哺乳動物細胞系HEK293T細胞里重組表達，我們拿到了純化的Piezo1蛋白。當時恰逢清華在建立冷凍電鏡平臺，我們實驗室最初與高寧、楊茂君合作，之后與李雪明課題組長期合作，取得了Piezo1蛋白的中等分辨率和接近原子級別的高分辨率結構(Nature 2015, Nature 2018)，建立了它同源三聚體、螺旋槳狀的結構，搞清楚了離子通道最核心的孔道區在什么地方，與機械力感覺相關的結構域等。

 

在我們于2015年報導了Piezo1的首個中等分辨率結構后，我們實驗室（與李雪明實驗室合作）、Ardem實驗室和Roderick MacKinnon（2003諾貝爾化學獎得主——記者注）實驗室大約在同一時間解析出了Peizo1蛋白的高分辨率結構。我們和Ardem的文章背靠背發表在Nature上，MacKinnon則發在eLife上。

 

相比Peizo1的結構研究，Peizo2的分子生化更難。我們和李雪明課題組合作，首次、唯一報道了Peizo2的完整結構，確定了它的每個亞基包含38個跨膜區的完整拓撲結構。這為我們研究Peizo2離子通道、感受機械力的分子機制提供了重要的線索。據此，我們進一步開展了大量的基于結構導向的結構功能研究，揭示了Piezo通道的離子通透、機械門控的分子機制。

Piezo2的蛋白結構圖。丨供圖：肖百龍

 

除了分子機制方面的研究，還有藥物工具分子的篩選發現。由于Piezo是全新的離子通道家族，因此與溫度敏感離子通道TRPV1以及其他電壓門控離子通道相比起來，它的藥物工具非常匱乏。Ardem通過高質量的篩選，篩選到了一個小分子Yoda1；我們在清華也做了自己的篩選，篩選出兩個藥物小分子Jedi1/2，能夠激活Piezo1，我們也進一步研究了這些小分子藥物的激活機制。

 

目前看來，在生理病理功能方面，Ardem實驗室做了大量重要的發現，而在分子機制方面我們實驗室做出了重要的貢獻。

 

返樸：大家對Piezo家族已經取得很多認識，下一步重要的待解決問題是什么？還有哪些重要的工作要做？

 

肖百龍：我認為有三個方面。第一，Piezo通道怎么把機械力轉成電信號，這個核心問題還沒有完全解決?，F在已經有一些進展，但還處于假說階段，還需要更多結構功能方面的研究。例如，我們現在拿到的還只是Piezo通道在關閉狀態的結構，那它到底是怎樣在受力以后變成開放狀態的呢？這中間的動態的過程是怎樣的？其實，包括TRPV1，到底是怎么感知溫度引起通道開放的，現在也還是沒有解決的問題。而TRPV1從1997發現到現在已有20多年了，這個核心問題一直還沒有解決。

 

第二，Piezo通道現在已經被報道具有非常廣泛的生理病理功能。但是絕大多數的工作都是在敲除體系下的表型描述，具體Piezo到底是怎樣利用它的機械敏感性、離子信號，來調控相關的生理病理功能，都還有待更深入的研究。

 

第三，針對Piezo通道的藥物發現與開發?，F在已經明確Piezo2和觸摸超敏痛密切相關，且Piezo2的表達集中在外周感覺神經元，那么針對Piezo2的藥物設計有著非常大的前景。但是由于Piezo通道分子生化研究的困難性，藥物研發方面還有待突破，這也是我們實驗室的一個長期研究目標。