从结构到功能介绍Piezo1的分子机制及其医学意义
2025-08-21 来源:本站 点击次数:812024年，诺贝尔生理学或医学奖得主Ardem Patapoutian做了一件让科学界和艺术界同时惊叹的事：他将Piezo1离子通道的三维结构纹在了右臂上。这一设计的精妙之处在于纹身位置的选择——当Patapoutian屈臂时，手肘弯曲处的皮肤拉伸会使蛋白纹身的"螺旋桨"结构变形，完美复现了Piezo1在细胞膜中被力激活时的构象变化。这一设计不仅是对科学发现的致敬，更是一场精妙的"人体实验"：用身体动作直观演绎分子机制，让深奥的生物学变得触手可及。
Ardem Patapoutian及他的右臂Piezo1纹身
2010年，Patapoutian团队采用创新性的功能筛选策略，通过显微操作技术施加精确机械刺激，并结合电生理记录和RNA干扰技术，成功鉴定出Piezo1[1]。它的发现解答了一个长期困扰科学界的谜题：细胞如何将机械力（如压力、触摸甚至心跳）转化为生物信号？Piezo1如同一根精密的“分子天线”，使生命体得以“感知”外界力学刺激。
Piezo1的分子机制：从结构到功能
Piezo1是一种由三个相同亚基组成的同源三聚体膜蛋白。当细胞受到压力、拉伸或剪切力时，Piezo1结构发生改变，形成离子通道，主要允许钙离子（Ca²⁺）涌入细胞，从而将“力”转化为电信号和生化反应——这一过程被称为机械转导（mechanotransduction）。这一机制与Patapoutian的纹身异曲同工——折叠的手臂拉伸皮肤，纹身图案变形，恰似Piezo1在膜张力下的激活过程（图1手臂折叠时正如下图2c左边）。它让细胞能“听见”血流、“感受”触摸、“察觉”器官扩张，堪称细胞的“力学传感器”。
Piezo1蛋白的侧视图、俯视图以及被膜拉伸激活的机制图[2]
Piezo1的医学意义：从基础研究到治疗潜力
Piezo1广泛分布于包括神经系统、血管心肌、骨骼等人体多种组织，参与调控发育、血压、呼吸等多种生理功能。正因其核心地位，其功能异常与多种疾病密切相关。在骨关节炎中，软骨细胞因异常压力过度激活Piezo1，引发炎症与退变；在动脉粥样硬化中，紊乱血流激活血管内皮Piezo1，促进斑块形成[3]；最新研究还发现，Piezo1在多发性硬化症中抑制髓鞘再生，在镰状细胞病中导致红细胞脱水，已成为潜在治疗靶点[4]。更令人振奋的是，适度激活Piezo1可显著提升细胞外泌体的释放，为再生医学和药物递送开辟新路径[5]。
治疗调控与未来展望
Piezo1的发现为机械转导提供了一个具体的分子实体，使得研究人员能够更深入地探讨物理力如何调控生物学过程。这从根本上改变了科学家们研究生理和病理过程的方式，从纯粹关注化学信号转变为全面整合机械信号的新视角。赛业生物Piezo1基因敲除小鼠等工具的应用，能够促进相关研究，进一步深化我们对Piezo1及其在健康与疾病中的角色的认识，同时也能辅助靶点相关一系列激动剂，拮抗剂和调节剂的开发。随着研究的深入，Piezo1持续为细胞机械转导机制提供革命性见解，其转化医学价值正在催生针对多种疾病的新一代治疗策略。这场由基础研究驱动的生物医学革命，才刚刚开始。
参考文献：
[1]Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science. 2010 Oct 1;330(6000):55-60. doi: 10.1126/science.1193270. Epub 2010 Sep 2. PMID: 20813920; PMCID: PMC3062430.
[2]Qin L, He T, Chen S, Yang D, Yi W, Cao H, Xiao G. Roles of mechanosensitive channel Piezo1/2 proteins in skeleton and other tissues. Bone Res. 2021 Oct 20;9(1):44. doi: 10.1038/s41413-021-00168-8. PMID: 34667178; PMCID: PMC8526690.
[3]Yang J, Xu C, Xie X, Wang J, Shi P. Roles of Piezo1 in chronic inflammatory diseases and prospects for drug treatment (Review). Mol Med Rep. 2025 Jul;32(1):200. doi: 10.3892/mmr.2025.13565. Epub 2025 May 16. PMID: 40376999; PMCID: PMC12105466.
[4]Zhang Y, Yang X, Deng S, Wang C, Hu J, Lan Q. Mechanosensitive Piezo1 channel: an emerging target in demyelination disease. Front Cell Neurosci. 2025 Jul 9;19:1556892. doi: 10.3389/fncel.2025.1556892. PMID: 40703567; PMCID: PMC12283589.
[5]Andrade AC, Le Goas O, Lemieux S, Grangier A, Nicolai A, Guerrera C, Ribes C, Suply E, Volatron J, Gazeau F, Silva AKA. Piezo1 activation increases the release of therapeutic extracellular vesicles after mechanical stimulation in bioreactors. bioRxiv. 2025 Jan 9:2025.01.09.632205. doi: 10.1101/2025.01.09.632205.