2012年10月16日,，清華大學(xué)生命學(xué)院楊茂君博士研究組在PNAS在線發(fā)表了名為 Structure and molecular mechanism of an anion-selective mechanosensitive channel of small conductance 的科研論文,，首次報(bào)道了一種具有陰離子選擇性的機(jī)械敏感性離子通道的晶體結(jié)構(gòu),，對(duì)其功能特性和離子選擇機(jī)制進(jìn)行了研究。生命學(xué)院博士生馮越等為本文的共同第一作者,，楊茂君博士為本文的通訊作者,。
當(dāng)細(xì)胞和有機(jī)體受到環(huán)境中的機(jī)械力刺激時(shí)，機(jī)械力信號(hào)隨即轉(zhuǎn)化成生物信號(hào),，使細(xì)胞作出反應(yīng),，這個(gè)過程稱為機(jī)械傳導(dǎo)，它被認(rèn)為是最古老的感覺之一,，是從細(xì)菌到人類所有活的有機(jī)體共有的特征,。在機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)過程中，機(jī)械敏感性離子通道（Mechanosensitive channel,，Msc）發(fā)揮了重要功能,。這類通道廣泛存在于所有原核和真核細(xì)胞中，是地球上最古老以及最廣泛存在的生物膜上的孔洞,。當(dāng)細(xì)胞感受到機(jī)械刺激時(shí),，這類離子通道可以打開，使溶液中的某些離子被動(dòng)地順著濃度梯度通過生物膜,。在細(xì)菌等低等生物中,，Msc作為細(xì)胞的應(yīng)急開關(guān)，在環(huán)境滲透壓突然變化的時(shí)候調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓平衡,，使它們適應(yīng)在一定范圍內(nèi)變化的滲透壓環(huán)境,。在哺乳動(dòng)物中，機(jī)械敏感性通道參與多種重要的生命過程,，如細(xì)胞體積和形狀調(diào)控,、組織生長和形態(tài)發(fā)生、聽覺和平衡感的產(chǎn)生,、血壓和體液平衡,、多精授精的防止等等。Msc的功能失常與神經(jīng)和肌肉的退化,，動(dòng)脈硬化,，高血壓，青光眼等疾病密切相關(guān),。然而目前對(duì)于這類通道的研究主要集中于其門控機(jī)制,，作為離子通道研究的另一重點(diǎn)——其離子選擇機(jī)制卻一直沒有研究清楚,。
這類通道的離子選擇性各不相同，而目前僅有的結(jié)構(gòu)信息也只是針對(duì)無明顯選擇性的大腸桿菌的MscS,。為了理解這類通道的離子選擇機(jī)制,，楊茂君研究組克隆并檢測了60多個(gè)物種的MscS的離子選擇性，最終成功鑒定到了一個(gè)具有強(qiáng)陰離子選擇性的通道蛋白,。經(jīng)過多年的不懈努力,，該研究組解析了其晶體結(jié)構(gòu)并對(duì)其離子選擇機(jī)制進(jìn)行了研究。長久以來,，基于對(duì)細(xì)菌MscS的研究,，人們一直認(rèn)為離子進(jìn)入這類通道是通過位于其胞內(nèi)區(qū)側(cè)面的7個(gè)孔洞（圖A）。然而,，楊茂君研究組通過對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn),，相比7個(gè)孔洞而言，位于該通道胞內(nèi)區(qū)底部的β桶結(jié)構(gòu)域很可能是更主要的離子入口(圖A),。令人驚奇的是,，體內(nèi)和體外的電生理實(shí)驗(yàn)表明，將該通道和大腸桿菌MscS的β桶結(jié)構(gòu)域互換之后,，兩個(gè)通道的離子選擇性竟然也隨之互換,，這充分驗(yàn)證了他們之前的推測。通過進(jìn)一步的突變體實(shí)驗(yàn),，楊茂君研究組成功找到了該結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)離子選擇性的關(guān)鍵氨基酸殘基,，進(jìn)而提出了該通道的陰離子選擇機(jī)制模型(圖B)。
多年以來,，離子通道的離子選擇機(jī)制一直是生物學(xué)的研究熱點(diǎn),。Roderick MacKinnon更是因?yàn)樵阝涬x子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)制研究中的杰出貢獻(xiàn)獲得了2003年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。相比之下,，陰離子通道的離子選擇機(jī)制則一直存在爭議,。楊茂君研究組在該工作中所取得的成果為理解陰離子如何被通道蛋白所選擇這一基本問題提供了新的視點(diǎn)，同時(shí)也為研究這類最古老的通道蛋白提供了新的思路,。（生物谷Bioon.com）
doi: 10.1073/pnas.1207977109
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Structure and molecular mechanism of an anion-selective mechanosensitive channel of small conductance
Xiaozhe Zhang, Jingjing Wang, Yue Feng, Jingpeng Ge, Wenfei Li, Wending Sun, Irene Iscla, Jie Yu, Paul Blount, Yang Li, and Maojun Yang
Mechanosensitive (MS) channels are universal cellular membrane pores. Bacterial MS channels, as typified by MS channel of small conductance (MscS) from Escherichia coli (EcMscS), release osmo-lytes under hypoosmotic conditions. MS channels are known to be ion selective to different extents, but the underlying mechanism remains poorly understood. Here we identify an anion-selective MscS channel fromThermoanaerobacter tengcongensis (TtMscS). T he s tr uc tu re o fTt MscS closely resembles that ofEc MscS, but it lacks the large cytoplasmic equatorial portals found in Ec MscS. In contrast, the cytoplasmic pore formed by the C-terminal β-barrel of Tt MscS is larger than that of Ec MscS and has a strikingly different pattern of electrostatic surface potential. Swapping the β-barrel region be-tw ee n Tt MscS and Ec MscS partially switches the ion selectivity. Ou r s tu dy d efines the role of the β-barrel in the ion selection of an anion-selective MscS channel and provides a structural basis for un-derstanding the ion selectivity of MscS channels.
