机械敏感性离子通道Piezo2的研究进展

徐曼秋,费素娟

将机械力转化为各种生物活动的过程称为机械传导。机械敏感性阳离子通道是一类重要的机械传导分子，它可将机械力快速转换成电化学信号。哺乳动物依靠感知机械力来传导刺激以完成多种生理活动。例如触觉﹑痛觉的感知，血管发育和血压的调节等。Piezo2作为一种机械敏感性阳离子通道在哺乳动物多种生理活动起重要作用。本文将对该通道的最新研究进展作一综述，希望为找寻相关疾病的新型治疗策略提供思路。

1 Piezo2的分布、结构及其调节

1.1Piezo2的组织分布Piezo2是将小核糖核酸干扰技术应用于小鼠Neuro2A细胞系而发现的一种新型机械力敏感非选择性阳离子通道。它存在于大鼠大部分躯体感觉神经元低阈值机械感受器，在非伤害性触觉感受中起作用。Piezo2在大鼠小肠和直肠黏膜层也有明显表达，且在直肠主要存在于黏膜腺上皮细胞的胞膜上，在黏膜下层和肌层无明显表达[1]。Piezo2还表达于大鼠牙周膜成纤维细胞，该通道在牙周膜中可能具有独立的机械敏感感知功能[2]。Bron等[3]发现豚鼠部分角膜传入神经元上有Piezo2表达，这部分神经元不包括多觉型伤害性感受器和冷感觉神经元。近来有报道称Piezo2也表达于结状神经节、颈静脉神经节、脊髓感觉神经节和肺，并可参与呼吸调控。背根神经节和颈静脉神经元缺乏Piezo2会导致新生小鼠死于呼吸窘迫。而仅在结状神经元中关闭Piezo2的小鼠可长到成年，但会阻止赫—布反射激活，导致肺充盈过度[4]。在人体中，Piezo2主要分布于三叉神经感觉细胞、背根神经节细胞、Merkel细胞和体神经元细胞、小肠黏膜等[5]。在某些有髓和无髓背根神经节神经元中Piezo2还与瞬时受体电位离子通道亚家族成员V1(TRPV1)共表达。

1.2Piezo2的结构Piezo2与所有已知的离子通道类型，如电压门控通道或配体门控通道、瞬时感受器电位通道、原核生物机械敏感性通道或真核生物机械敏感性双孔钾离子通道等相比都没有明显的序列和结构同源性。白涛等[6]利用在线系统对Piezo2蛋白跨膜结构域、翻译后修饰位点进行预测分析，发现人Piezo2蛋白理论上存在35个跨膜结构域、4个酰胺化位点、16个胺糖基化位点、8个环磷酸腺苷(cAMP)和环磷酸鸟苷(cGMP)依赖性蛋白激酶磷酸化位点、32个酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点、19个豆蔻酰化位点、32个蛋白激酶C磷酸化位点、以及2个酪氨酸激酶磷酸化位点。此外，人Piezo2含2 752个氨基酸，其中1 301个氨基酸可能形成α螺旋，537个氨基酸形成延伸链，204个氨基酸形成β转角，710个氨基酸形成无规卷曲。

1.3Piezo2的调节Piezo2可感受机械刺激，并将其转换为电信号，产生快适应机械敏感电流，从而发挥生物学效应。研究发现，缓激肽可通过激活缓激肽受体β2及包含蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC)的下游信号通路使得HEK293细胞和老鼠离体培养背根神经节(DRG)神经元中Piezo2介导的机械激活电流幅值显著增加、衰减减慢[7]。Jia等[8]用膜片钳技术检测Piezo2通道电流，实验中他们使用含有三磷酸鸟苷(GTP)的电极内液并采用常规全细胞膜片钳记录模式，结果发现体外培养小直径背根神经节(DRG)神经元和HEK293细胞中Piezo2介导的快适应机械敏感电流较未使用GTP时明显增强，这说明GTP在Piezo2通道调节中起一定作用。Jia等[9]发现，当背根神经节初级传入神经元和异源表达Piezo2的HEK293细胞渗透性肿胀，静态质膜张力(SPMT)增加时，它们当中的快适应机械敏感电流显著增强。而使用细胞松弛素D裂解对维持SPMT起重要作用的微管后，上述效应便消失。说明初级传入神经元中Piezo2介导的机械转导受到SPMT的调节。此外，cAMP是一种与机械性异常性疼痛和痛觉高敏形成有关的细胞内信使,可增强HEK293细胞中以及老鼠DRG神经元中Piezo2活性[10]。而鸟嘌呤核苷酸转化因子交换蛋白1(Epac1)过表达也可通过cAMP途径增强人Piezo2活性。秀丽隐杆线虫中嗅觉神经相关蛋白STOML3可通过增加Piezo2对机械刺激的敏感性而增强其功能。

Borbiro等[11]通过研究发现，在背根神经节神经元或异源表达系统中，辣椒素可激活TRPV1，引起Ca2+内流，激活Ca2+敏感PLCδ酶,使PLCδ活化,消耗细胞膜磷脂酰肌醇4,5二磷酸及其前体磷脂酰肌醇4磷酸,从而抑制Piezo2通道的活性。多种化合物如链霉素、钌红、钆也可阻断机械敏感阳离子通道,是Piezo2的非特异性阻断剂，30 μmol/L钌红或30 μmol/L 钆可阻断大约80%的Piezo2介导电流[12]。另外，D-GsTMx4也是Piezo2通道的重要抑制剂，它并不直接作用于该通道，而是透过细胞膜脂质双层并与之形成跨膜耦联，使膜的流动性发生改变，从而影响脂质双层向膜蛋白和膜微区传导机械张力，起到抑制Piezo2的作用[13]。

2 Piezo2的功能

2.1Piezo2与本体感觉Woo等[14]研究发现Piezo2表达于老鼠支配本体感受器肌梭和腱器官的感觉神经末梢。在老鼠出生后不久关闭其本体感觉神经元Piezo2，它们表现为严重的躯体运动异常和肢体定位异常。三叉神经中脑核(MTN)机械感觉神经元选择性支配颌肌肌梭介导牙周韧带的牵拉反射和活动。Florez-paz等[15]发现MTN快适应机械敏感电流与Piezo2有关，敲除上述神经元上Piezo2后，该电流几乎完全消失。此外，研究者通过基因修改使本体感受器发出荧光，并将这些细胞取出放入培养皿，用玻璃探头撩拨，测量此时产生的电脉冲，发现即使将老鼠腿部肌肉从身上取下，对其加以拉伸，腿部肌肉仍会发出同样的脉冲。而Piezo2缺失老鼠对撩拨和牵拉没有反应。这些结果说明，本体感受器起效的基本原理是检测拉力，其细胞膜感受到拉力后使Piezo2通道开放并产生电脉冲，通过脊髓传递给大脑。

2.2Piezo2与轻触觉Merkel细胞是树枝状细胞的一种，位于光滑皮肤的基底细胞层及有毛皮肤的毛盘，多数情况下位于神经末梢。它具有许多感受器特征，能和Ⅰ型感觉神经纤维形成突触样连接。老鼠Merkel细胞能主动参与触觉感受，其作用方式呈现为快速、触觉机械敏感型化学电流[16]。Ranade等[17]开发出一种条件性基因敲除小鼠品系，完全删除了小鼠成熟背根神经节感觉神经元和Merkel细胞中的Piezo2。之后对来自这些小鼠的体外培养神经元进行电实验发现，它们丧失了对感知轻触觉所需的机械刺激几乎所有的反应。与正常小鼠相比，Piezo2条件性基因敲除小鼠对轻触刺激的反应性显著下降，但对引起正常疼痛的皮肤刺激如冷、热、拧捏等仍有反应。这些结果说明，Piezo2充当了Merkel细胞的触觉传感器。Merkel细胞中Piezo2通道可将触觉刺激转化为Ca2+动作电位，使得Aβ传入神经末梢发放慢适应电冲动，启动触觉感受[18]。此外，特异性敲除Merkel细胞中Piezo2基因后，细胞应对机械应力的电流发生紊乱。可见Piezo2参与调节Merkel细胞应对机械刺激的神经终板电流的动态平衡[19]。

2.3Piezo2与疼痛在探究内皮素-1诱发的机械性痛觉超敏时发现，向大鼠后爪背部皮内注射Piezo2 mRNA反义寡核苷酸序列或其错配寡核苷酸序列6 h后，向相同部位注射内皮素-1，伤害性刺激痛觉高敏消失。而鞘内注射相同剂量的反义寡核苷酸并不会减弱伤害性刺激痛觉超敏，这说明Piezo2在内皮素-1诱发的伤害性刺激痛觉超敏中起机械力传导作用。局部外周应用Piezo2反义寡核苷酸后，其通过作用于皮肤表达Piezo2的细胞(而不是作用于初级传入伤害性感受器)，起到减轻伤害性刺激痛觉高敏的作用。此外，Ferrari等[20]在实验中发现Piezo2通道还在奥沙利铂诱发神经病理性疼痛中发挥作用。静脉应用辛苯聚糖-9或外周应用Piezo2 mRNA 反义寡核苷酸可减弱血管内皮细胞功能，减轻奥沙利铂诱发外周神经病理性疼痛大鼠机械性痛觉高敏。Bai等[21]在研究肠上皮细胞Piezo2表达与内脏痛阈之间的关系时发现，小肠Piezo2表达与内脏高敏感性之间没有关联，而结肠Piezo2表达与内脏高敏感性呈负相关(r=-0.718，P<0.01)。Bron等[22]发现炎症机械性痛觉高敏相关物质缓激肽可增强不同表达系统和离体培养老鼠不同大小DRG神经元中机械激活Piezo2电流。此外,研究表明选择性Epac1激动剂8-pCPT可使机械门控Piezo2电流增强，老鼠感觉神经敏感性增强，痛觉阈值降低[23]。另外，大量证据表明5-羟色胺(5-HT)在肠易激综合征内脏高敏中起重要作用，而Piezo2在小肠肠嗜铬细胞高度表达，其可感受机械刺激并促进5-HT释放[24]。Vásquez等[25]在研究Merkel细胞轴突复合体在辣椒素引起的大鼠面部感觉神经元敏化中的作用时发现，注射辣椒素后出现的急性疼痛行为在大鼠触须毛囊Piezo2敲除后显著减弱。这说明，Merkel细胞轴突复合体可能与多种炎症和慢性神经病理性疼痛状态下的触诱发痛有关，Merkel细胞中的Piezo2或许可以作为新型镇痛剂的作用靶点。

2.4Piezo2与疾病Piezo2突变与多种遗传性疾病有关。Gordon综合征(GS)是一种罕见的常染色体显性遗传病，表现为肌肉关节功能不全，上下肢挛缩，马蹄内翻足，先天性指屈曲，腭裂。Mcmillin等[26]通过对患有该病的家族成员进行调查，发现12个患病家族成员中有10例伴有Piezo2突变，而其中9例有相同的错义突变c.8057G>A(p.A rg2686 His)。且腭裂与c.8057G>A突变密切相关。因此，Piezo2杂合突变被认为是引起GS的主要原因。Coste等[27]发现Piezo2功能获得性突变也存在于Marden-Walker综合征(MWS)，即5型远端关节挛缩病人。此外，Piezo2 双等位基因缺失会引起肌肉萎缩、围生期呼吸窘迫、关节挛缩和脊柱侧突[28]。研究发现，绝大部分致病性Piezo2突变是其高度保守C末端结构域氨基酸发生改变，c.8057G>A突变引起2686位点氨基酸被组氨酸取代(p.Arg2686 His)。此外,有报道称某些MWS病人相同位点氨基酸被半胱氨酸取代(p.Arg2686 Cys)[29]。但这些错义突变对蛋白质功能的影响仍不清楚。

此外，Piezo2 还与肿瘤血管生成和高渗透性有关。Yang等[30]将scrambled shRNA 或Piezo2 shRNA转染的GL261脑胶质瘤细胞注射到裸鼠右侧背部皮下，发现Piezo2 shRNA转染细胞中Piezo2表达显著减少。肿瘤接种2周后，Piezo2 shRNA转染组小鼠肿瘤体积显著缩小。通过标记肿瘤组织中细胞核增殖抗原ki67和DNA断裂的原位末端标记法(TUNEL检测法)发现敲除Piezo2使增殖中的ki67阳性细胞显著减少，TUNEL阳性凋亡细胞增多。这些结果说明，敲除Piezo2可促进肿瘤细胞死亡、抑制肿瘤细胞增殖，从而抑制肿瘤生长。敲除肿瘤血管内皮细胞Piezo2后，肿瘤血管密度降低，血管泄露减少。研究发现，敲除Piezo2后，人脐静脉内皮细胞(HUVECS)存活、增殖、迁移能力以及肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭能力均显著下降。这说明敲除Piezo2会影响内皮细胞和肿瘤细胞功能。敲除Piezo2还可减少血管内皮生长因子(VEGF)或白细胞介素-1β(IL-1β)介导的病理性血管生成、血管泄露，并可使胞内Ca2+改变，Wnt11/β-catenin信号下调，内皮细胞血管生成活动发生改变。

3 展望

综上所述，随着对Piezo2在肿瘤血管生成中作用的深入研究,Piezo2很可能成为抗肿瘤治疗的新靶点。另一方面,Piezo2参与神经病理性疼痛、触诱发痛等多种疼痛相关过程，阻断Piezo2可使疼痛得到缓解，这为新型止痛药的研究提供了新思路。尽管如此，关于该通道的很多问题仍有待解决，如该通道是如何感受机械刺激并开放的、它在不同感觉和非感觉组织中起到怎样的作用等。Piezo2是离子通道领域的一新发现，其更多功能还有待进一步发现。