Piezo通道的功能及其藥理學研究進展

崔昌鵬，熊 雪，王 雪，李蝴蝶，周 萌，馬海蘭，李柏巖

（哈爾濱醫科大學藥學院藥理學教研室，黑龍江省生物醫藥工程重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，心血管藥物研究教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081）

Piezo通道是2010年Coste等［1］在小鼠神經胚細胞瘤細胞系中發現的一種新型的機械敏感性陽離子通道，由中心離子通道結構和三葉螺旋槳樣機械力感受器結構共同組成，由機械力刺激激活，引起陽離子內流。Piezo通道蛋白在進化上具有保守性，包括Piezo1和Piezo2 2種亞型，分別由FAM38A和FAM38B基因編碼，組織分布廣泛，在心、肺和腎等臟器的細胞膜和內質網上均有表達。Piezo通道參與觸覺感知和血壓的自發性生理調節等過程，也與非小細胞肺癌、胰腺炎、肝纖維化、肝癌［2］和青光眼［3］等疾病的發生有關，而Piezo1通道的特異性激動劑Yoda1可促進機械力誘導的Piezo1構象變化［4］，進而影響疾病進程。本文主要綜述Piezo通道的結構、功能及其藥理學作用。

1 Piezo通道結構

Piezo1通道在結構上擁有24個跨膜區域，每個跨膜區域均由4組重復的跨膜單元構成，在進化上具有保守性，是目前發現的最大的細胞膜離子通道［5］。Piezo1通道表現為同源三聚體，其C端細胞外結構組成細胞外離子傳導通路，調控Piezo1通道的離子滲透性和選擇性［6］。細胞膜外部的三葉螺旋槳樣結構是機械力感受器，當僅重組Piezo1蛋白的磷脂雙分子層受到機械刺激如擴張、擠壓和流體壓強時，Piezo1通道發生可逆的扁平變形，表明其機械敏感性不依賴于其他膜蛋白［7］。Piezo1通道的三葉螺旋槳樣結構比Piezo2通道平整，并且細胞內跨膜離子通道結構向上移位，從而引起2種亞型的功能學差異［8］。低溫和飽和脂肪酸抑制Piezo1通道活性，與膜的流動性降低以及膜剛性增加有關；與之相反，Piezo2通道不易由膜張力觸發激活，低溫和飽和脂肪酸反而會增加Piezo2通道的機械激活（mechanical activation，MA）電流峰值，并延長MA電流的失活期，從而使跨膜電流總量明顯增加［9］。與Piezo1通道不同，Piezo2通道不僅能夠被施加的負壓激活，還表現出特異性的正壓激活［10］。

2 Piezo通道功能

2.1 Piezo1通道與心腦血管發育

Piezo1通道的功能在心血管系統早期發育中具有重要作用。Piezo1通道蛋白缺失會導致張力絲（stress fibers）缺乏，使細胞應對剪切力時的重定向（redirection）發生異常；其功能缺陷會導致血管重構障礙，嚴重影響血流，并且導致胚胎發育中斷［11］。高血壓能夠誘導小鼠發生病理性動脈重構，且Piezo1通道蛋白在血管平滑肌細胞中表達升高［12］。Piezo1通道也參與腦血管的發育過程，在神經系統發育階段保障神經與大腦同步發育［13］。

2.2 Piezo通道與血壓調控

在血管發育和血壓調節中，Piezo1通道發揮血流量傳感器的作用，可通過感受血管張力指導脈管系統的發育和修復。機體活動時，Piezo1通道去極化增強，并激活鄰近血管平滑肌細胞中的電壓門控Ca2+通道，引起血管收縮和血壓升高。Piezo1通道能感知身體的活動，有利于控制血管收縮，優化血流量再分配，以提高身體性能［14］。頸靜脈輸注苯腎上腺素，可使大鼠收縮壓呈短暫劑量依賴性升高，壓力反射調控機制隨之啟動，引起心率降低［15］。在敲除Piezo1和Piezo2基因的小鼠中，未觀察到苯腎上腺素引起的反射性心率降低和神經激活電流減少，但發現壓力反射敏感性下降，平均動脈壓顯著升高，達到高血壓的程度［16］。有研究發現，內皮細胞中的Piezo1通道通過誘導ATP的釋放，激活下游G蛋白偶聯嘌呤能受體P2Y2介導的蛋白激酶A和一氧化氮合酶的磷酸化過程來調控血壓；此外，特異性敲除內皮Piezo1基因的小鼠無法誘導一氧化氮形成，從而發展為高血壓［17］。

2.3 Piezo2通道與觸覺感知

Piezo2通道主要對低閾值的機械刺激敏感，介導小鼠和人的痛覺感受。感覺神經元和Merkel細胞中缺少Piezo2通道蛋白的表達會導致小鼠喪失對輕微觸覺的感受能力［18］；特異性敲除背根神經節神經元中的Piezo2基因后，小鼠對輕微觸碰的敏感性缺失，但對有害性機械刺激的反應仍然存在［19］；在炎癥期間和組織損傷后，Piezo2通道蛋白的表達水平常作為機體對輕微機械刺激反應靈敏程度的檢測指標［20］。小鼠全身性敲除Piezo2基因只會部分損害機械感覺，而雙重敲除Piezo1和Piezo2基因的小鼠對機械痛覺的感知完全喪失［21］。提示Piezo2通道可作為緩解痛覺過敏的潛在靶點。

2.4 Piezo1通道與細胞黏附和心肌纖維化

細胞表面的整聯蛋白家族是細胞黏附的基礎，在感染、心肌纖維化和癌癥［22］等多種疾病進程中均發揮重要作用。敲除上皮細胞Piezo1基因能使內皮整聯蛋白β1亞基失活，減少細胞黏附；抑制鈣蛋白酶活性則可逆轉Piezo1通道對整聯蛋白活性的抑制作用［23］。因此，可通過Piezo1通道調節整聯蛋白的功能。激活心肌成纖維細胞Piezo1通道后，Ca2+內流并使絲裂原活化蛋白激酶活化，并刺激白細胞介素6分泌，而敲除心肌成纖維細胞中的Piezo1基因會降低白細胞介素6的基礎表達［24］。

2.5 Piezo1通道與非小細胞肺癌

Piezo1通道與細胞的遷移、增殖、分化和凋亡有關。在人非小細胞肺癌組織中，Piezo1通道的mRNA和蛋白水平明顯降低。敲除Piezo1基因可顯著促進人非小細胞肺癌細胞的體外遷移和體內生長，而Piezo1通道蛋白高表達的肺腺癌患者預后表現良好［25］。提示激活Piezo1通道能抑制非小細胞肺癌細胞的遷移和增殖。

3 Piezo通道與藥物和活性肽的交互作用

3.1 Piezo1通道與辣椒素

辣椒素受體1（transient receptor potential vanilloid-1，TRPV1）是另一類非選擇性陽離子通道。辣椒素可通過減輕機體對機械刺激的超敏反應，實現局部止痛，這與辣椒素作用于表達TRPV1的機械敏感性傳入神經元有關［26］。辣椒素通過激活TRPV1引發細胞外Ca2+內流，從而競爭性抑制Piezo1通道的Ca2+內流，因此辣椒素可間接抑制Piezo1通道［27］。

3.2 Piezo1通道與肌漿網鈣泵2

肌漿網鈣泵2（sarcoplasmic endoplasmic retic?ulum Ca2+ATPase 2，SERCA2）是Piezo1通道的互作蛋白，通過作用于細胞內離子通道結構和機械轉導結構的連接處抑制Piezo1通道［28］。振幅較低的機械刺激能激活SERCA2并抑制Piezo1通道，使細胞外ATP濃度降低，從而抑制破骨細胞的形成；而高振幅的機械刺激能促進破骨細胞的形成［29］。提示SERCA2能影響內皮細胞Piezo1通道蛋白依賴性遷移過程以及骨骼的修復過程。

3.3 Piezo1通道與其特異性激動劑Yoda1

小分子Yoda1是Piezo1通道的特異性激動劑，作用于Piezo1通道蛋白C端的細胞內區域［30］，且能在缺乏其他細胞組分的條件下激活Piezo1通道［31］。螯合細胞外Ca2+后，Piezo1通道的激活電流顯著降低，但在應用毒胡蘿卜素（thapsigargin）消耗掉細胞內Ca2+的條件下，Piezo1通道的激活電流并未發生明顯的改變，表明Yoda1誘發的Ca2+應答在極大程度上依賴于細胞外Ca2+內流。另外，機械刺激能夠增強Yoda1誘發的Piezo1通道的動力學過程，并顯著延長瞬時電流的失活期［32］。提示，Yoda1既可修飾Piezo1通道誘發的MA電流，也可在無外部機械刺激時部分激動Piezo1通道，且具有主要穩定通道的開放期，而不影響通道失活期的特性。

細胞劃痕實驗和細胞形態學分析發現，Yoda1通過激活Piezo1通道抑制腫瘤細胞的遷移，并呈現濃度依賴性，表明Yoda1是通過重組細胞骨架的肌動蛋白使小鼠腫瘤相關成纖維細胞的形態和遷移性發生明顯改變，抑制腫瘤細胞遷移，提示通過Yoda1激活Piezo1通道可作為抑制惡性腫瘤擴散的新策略［33］。胰腺炎通常在胰腺受壓后發生，如腹部創傷、胰管阻塞、胰腺造影或胰腺手術后。C57小鼠胰管滴注Yoda1刺激Ca2+內流，可在胰管內誘發胰腺炎，并且Piezo1通道拮抗劑GsMTx4可預防由壓力引起的胰腺炎癥；選擇性敲除Piezo1基因可預防壓迫性胰腺炎［34］。

在人和小鼠的多種細胞系中，中藥提取物土貝母皂苷1能通過競爭Yoda1的作用靶點，拮抗Yoda1對Piezo1通道的激活作用［35］。

3.4 Piezo2與緩激肽

炎癥信號可增強Piezo2通道介導的MA電流。炎癥因子（如緩激肽）可促進觸覺感受器功能，激活緩激肽受體β2能增加Piezo2通道誘發的電流幅度，且延長通道失活期。在感覺神經元中，緩激肽經由蛋白激酶A和蛋白激酶C增強Piezo2通道介導的MA電流，并且蛋白激酶A和蛋白激酶C的激動劑可增強Piezo2通道的活性［36］。目前尚未發現Piezo2通道的特異性激動劑，該通道還存在很多問題亟待深入研究。

4 結語

Piezo機械敏感性離子通道對觸覺、血壓自主調節和血管發育等生理過程及細胞黏附、腫瘤細胞增殖、遷移和分化等疾病進程均有重要作用，Piezo1通道的特異性激動劑Yoda1可作為相關靶點藥物研究的重要工具。但Piezo通道的分子信號轉導機制以及信號交互作用研究尚不深入，以其作為靶點的藥物研究也剛起步，尤其是Piezo2通道蛋白的特異性作用藥物還屬空白。鑒于該通道對血壓自主調節的重要性，可從不同病理條件下如自發性高血壓與該通道間的交互作用切入研究，以便更清楚地了解該通道的功能，為研發靶點藥物提供思路。