Piezo1在癌症中的作用研究进展

安外尔·约麦尔阿卜拉 ， 孙莉莉 ， 布尔兰·叶尔肯别克 ， 郭文佳

新疆医科大学附属肿瘤医院，乌鲁木齐 830001

机械力转导是一种基本的生物信号转导过程，可促进真核细胞或原核细胞将各种机械力转化为电化学信号［1-2］。机械力转导在调节许多基本生理过程中发挥重要作用，包括触觉、痛觉、本体感觉、骨稳态和血压［3-5］。一般而言，机械转导过程依赖于机械敏感性离子通道（机械转导器）来启动可兴奋细胞膜的去极化或触发不可兴奋细胞中的钙信号。因此，一系列下游信号传导途径被激活，导致特定细胞和生理反应的调节［6-7］。进化上保守的压电蛋白（Piezo），包括Piezo1和Piezo2，属于大离子通道蛋白。在过去的十年中，已经研究了Piezo1在各种机械转导中的基本功能［8-9］。Piezo1蛋白在多种组织和器官中表达，包括淋巴、心血管系统、免疫细胞和骨骼［10］，并参与淋巴管发育［11］、血管发育［12］、血压调节［13］、细胞迁移［14］、先天免疫［15］、红细胞体积稳态［16］、骨稳态和上皮稳态［17］。另外，Piezo1是一种机械感受器，通过感知牵引力参与神经干细胞和间充质干细胞的分化。相比之下，Piezo2主要在初级感觉神经元中表达，与触痛觉、轻触觉、气道伸展、本体感受相关［18］。鉴于其在生理学上的重要性，由功能获得性或功能丧失性突变引起的Piezo蛋白功能异常与各种病理状况相关。已有研究证实了Piezo蛋白的生理学和治疗学意义以及它们作为新的潜在药物靶点的潜力。

1 Piezo1的结构

Piezo1离子通道是一种巨大的跨膜蛋白，在原生生物、动物和植物（细菌和酵母除外）中进化保守。此外，Piezo蛋白家族具有独特的序列模式，与其他已知的阳离子通道蛋白家族缺乏序列同源性［10］。在人类中，Piezo1基因位于染色体16q24.3上，含有编码2520个氨基酸残基的51个外显子。相比之下，小鼠的Piezo1基因位于8号染色体，由53个外显子组成，编码2547个氨基酸残基［19-20］。冷冻电子显微镜（cryo-electro microscopy，cryo-EM）技术的迅速发展极大地促进了对Piezo1蛋白结构特征及其生物学功能的研究。2015年，Ge等［21］首次报道了重组全长小鼠Piezo1蛋白的冷冻电镜结构，分辨率为4.8 Å。随后，Saotome［22］和Zhao等［23］提供了分辨率更高的小鼠Piezo1蛋白结构，分别为3.8 Å和3.97 Å。一般来说，小鼠Piezo1蛋白表现出独特的螺旋桨形状的三叶同源三聚体。同源三聚体的每个亚基含有外周叶片，该叶片含有38个跨膜区（TM）螺旋、C-末端结构域（CTD）、C末端胞外结构域（CED）、1个锚和1个90 Å长的梁在细胞内侧。根据其结构和功能特征，Piezo1蛋白可分为3种组分，包括1个N-端叶片，该叶片包含机械感应模块，1个由梁和锚组成的转导模块，以及1个C-端离子传导孔模块。这些模块化组件对于Piezo1通道的正常机械转导功能至关重要［22］（图1，PDB编号5Z10）。

2 Piezo1通道的动力学特性

2.1 激活Piezo1通道

结构和功能研究表明，Piezo1可以被剪切应力拉伸、戳和基底变形激活［24］。基于独特的三叶螺旋桨形状的同源三聚体结构，杠杆状机械门控机制是Piezo1通道机械敏感性的原因［25］。结构上，高度弯曲和非平面的THU构成的叶片用作直接感知膜曲率和张力的机械感受器。同时，长杠杆状梁的作用是将机械力从叶片传递到离子传导模块，残基L1342和L1345作为机械力传递的基础。研究发现，Piezo1蛋白中的L1342 A/L1345 A双突变体表现出显著降低的机械敏感性。由于杠杆的枢轴与中心孔的位置比与远端叶片的位置更接近，所以这种杠杆样机械转导机制可能使Piezo1通道能够有效地将远端叶片的大构象变化转化为中心孔相对轻微的开口，从而允许阳离子选择性跨膜转运（如K+、Na+、Cs+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、TMA、TEA）［26］。基于Piezo1将局部脂质膜扭曲成圆顶形状的能力，Guo等［27］提出了膜圆顶机制假说，以解释Piezo1的精细机械敏感性。在该假说中，闭合形态中由Piezo1触发的膜圆顶在横向膜张力下变得更平坦（更平面）。因为较平坦的构象不限制孔敞开，并且膨胀和孔直径是解耦的，所以Piezo1表现出更小的传导性。然而，膨胀平面的面积在数量上与圆顶面积的变化相对应，因此膜张力的变化依赖于投影面积的变化。Piezo1通道随后由于相对能量差异而打开。除了膜张力（穿脂力）外，Piezo1还可被细胞骨架栓系（穿丝力）激活。例如，在力穿丝模型中细胞骨架会牵引离子通道，诱导其门控构象变化。反过来，Piezo1可以在多个长度和时间尺度上反馈调节细胞骨架动力学，以确定各种生命过程，如细胞迁移［28］。据报道，Piezo1不仅通过机械刺激激活，还通过蛋白质-蛋白质相互作用激活。例如，胃蛋白样蛋白-3（STOML 3）通过胆固醇结合使Piezo1介导的电流敏感［29］。小鼠TTN 3（TMEM 150 c）可显著延长Piezo1介导的机械电流的持续时间。此外，研究发现小化学分子Yoda1和Jedi 1/2也能增强Piezo1机械诱导反应的敏感性［26］（图2）。

图2 Piezo1通道作用机制Fig. 2 The action mechanism of the Piezo1 channel

2.2 Piezo1通道的失活动力学

Piezo1通道由各种类型的机械力激活，并顺序触发快速衰减的机械激活电流。Piezo1的电压依赖性失活动力学研究显示，在正压电位时，通道缓慢打开，在负压电位时通道快速打开［30］。到目前为止，至少有6个与脱水遗传性口形红细胞增多症（dehydrated hereditary stomatocytosis，DHS）相关的功能获得性突变已经被鉴定，它们主要位于Piezo1的核心区域。例如，R2456H和M2225R这2种DHS引起的突变分别位于IH和CED，这些残基的双突变几乎消除了失活状态，表明中心核心区可能决定了失活动力学［31］。同样，压电嵌合体研究证实，失活动力学由孔模块、CED和IH决定。IH中带正电荷的残基K2479也被认为是Piezo1的电压依赖性失活动力学的关键。Lewis等［32］鉴定了胞外帽内的3个小亚结构域，它们可分别赋予不同的Piezo1失活动力学。此外，Zheng等［33］揭示了功能上保守的疏水门是Piezo1孔衬内螺旋失活的主要决定因素，其由疏水残基L2475和V2476组成。总之，这些研究一致证明了中心核心区在调节Piezo1失活动力学中的重要作用（图2）。

3 Piezo1通道在癌症中的作用

癌症是全球最大的健康问题之一［34-35］。癌症是一种多因素疾病，其特征是由于致癌基因、外源性和内源性因素以及细胞基因组中现有和获得性变化导致的遗传不稳定性，从而导致细胞生长失控［36］。目前，癌症是全球死亡率最高的疾病［37］。根据世界卫生组织（World Health Organization，WHO）的数据，到2030年，全球癌症相关死亡率将达到80%［38］。尽管与癌症治疗相关的研究已经取得了长足的进步，但恶性肿瘤的全球发病率和死亡率仍然很高［39］。Piezo1蛋白在多种病理生理过程中发挥重要的调节作用［19］，包括血管发育、感知血流剪切应力、调节红细胞功能以及控制细胞迁移和分化。近年来，越来越多的研究表明Piezo1在人体的许多系统性肿瘤中异常表达，包括消化系统、泌尿系统和生殖系统肿瘤［40］。癌症基因组图谱（the cancer genome atlas， TCGA）数据库显示Piezo1在几种恶性肿瘤中过表达，包括口腔鳞状细胞癌、神经胶质瘤、滑膜肉瘤、骨肉瘤、膀胱癌、前列腺癌、乳腺癌、滑膜癌、结肠直肠癌和胃癌，并且涉及癌细胞的增殖、转移和侵袭。在机制上，Piezo1可介导细胞内Ca2+信号传导的增加，并作为普遍存在的第二信使启动与肿瘤进展相关的一系列下游通路的信号传导，包括ERK1/2、Akt/mTOR和YAP。同时，有研究发现Piezo1的激活也会促进HIF-1α的过表达。HIF-1α是一种血管生成的促进因子，促进血管生长和上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition， EMT）。此外，Piezo1还可以通过与三叶因子家族1（TFF1）结合促进癌细胞的迁移和侵袭［40-42］。重要的是，研究发现高水平的Piezo1与肿瘤患者的总生存率呈负相关，使得Piezo1成为恶性肿瘤早期诊断和预后的潜在生物标志物［43］。Zhang等［44］利用实时定量PCR和蛋白质印迹法发现，与正常胃组织相比，Piezo1在胃癌细胞系中过表达并且与患者的生存率低相关。但是，也有研究证实在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer， NSCLC）中，Piezo1的表达水平较低，而这一表现促进了肿瘤细胞的生长和转移，进而降低了NSCLC患者的总生存率［45］。最近的研究表明，Piezo1在上皮细胞拥挤和上皮细胞稀疏区域被激活以维持上皮细胞的稳定状态［46］。Piezo1通过充当Yes相关蛋白（Yes-associated protein， YAP）信号的转录靶点［39］并与整联蛋白粘着斑激酶（FAK）信号相互作用，促进口腔鳞状细胞癌（oral squamous cell carcinoma， OSCC）细胞增殖。Han等［40］通过对手术标本进行qPCR和免疫组织化学分析，发现前列腺癌细胞中Piezo1的表达较正常前列腺组织升高；在体外，Piezo1的上调促进了癌细胞的存活、增殖和迁移，而Piezo1的下调抑制了体外前列腺癌细胞的生存、增殖和迁移，以及体内前列腺肿瘤的生长。研究表明，Piezo1通过激活Akt/mTOR通路促进前列腺癌的发展，从而延长了细胞周期。同样，研究发现在胃癌中Piezo1的下调或沉默可抑制癌细胞的增殖、迁移和侵袭，并促进体外细胞凋亡［42］。因此，Piezo1作为一种生物标志物有望成为治疗前列腺癌的新靶点。

4 展望

自然界中，生物体在生长发育过程中，不断受到外界环境的机械刺激。生物体感受外界机械力并作出反应，维持内环境的正常生理功能是必不可少的。机械电导是信号传递的基本生物学过程，它促使真核细胞或原核细胞将机械力信号转化为电化学信号。离子通道是介导机械力信号快速响应的主要受体，其通过促进各种无机离子的跨膜转运，调节细胞膜内外离子的浓度。Piezo1作为进化上保守的机械敏感阳离子通道的一员，在在骨形成、天然免疫和癌症等各种生理和病理过程中发挥重要作用。Piezo1的功能增益突变和功能缺失突变已被报道与多种疾病有关。因此，对Piezo1的活性进行调节有望为疾病治疗带来新的思路和方法。尽管近年来已研发出许多拮抗剂和激动剂，它们能够直接或间接地与Piezo1结合，但这些调节剂通常表现出适度的结合亲和力和非最佳的“类药”性质。由于Piezo1介导的Ca2+肿瘤细胞中的信号广泛影响其下游通路，需要进一步研究阐明有关Piezo1调控及其对下游靶点调控的详细分子机制，以及开发特异性和直接的Piezo 1拮抗剂等。

综上所述， Piezo1在癌症发生发展中的作用研究仍处于起步阶段， 需要进一步研究阐明Piezo1的结构特性，以及Piezo1和其他机械敏感离子通道和膜蛋白是否共同作用影响癌症的发展。相信随着对机械敏感离子通道Piezo1的进一步研究，Piezo1很可能成为肿瘤诊断和治疗的新靶点，为癌症个体化治疗开辟新的思路。