機(jī)械敏感性通道蛋白Piezo2 在皮膚感覺中的作用研究進(jìn)展*

呂 萍

（南方醫(yī)科大學(xué)皮膚病醫(yī)院科教科，廣州 510095）

生物體在正常生長(zhǎng)、發(fā)育和維持健康的過程中，都會(huì)對(duì)來自外部環(huán)境（如剪切力、重力、觸碰）以及自身內(nèi)部（包括滲透壓和膜形變）的機(jī)械力產(chǎn)生感知和響應(yīng)。機(jī)械敏感通道蛋白 (mechanosensitive channel) 是細(xì)胞對(duì)機(jī)械力感知和響應(yīng)的分子基礎(chǔ)，它可以將細(xì)胞膜感受到的機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)或生物化學(xué)信號(hào)，從而引發(fā)對(duì)細(xì)胞生理過程的調(diào)節(jié)。近20 年里，機(jī)械敏感通道蛋白逐漸成為生物力學(xué)及神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。2010 年，Ardem Patapoutian 等在小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤中發(fā)現(xiàn)了Piezo1、Piezo2 蛋白，并證實(shí)其為機(jī)械門控離子通道蛋白，Ardem Patapoutian 也因此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)獲得2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[1]。

皮膚是人體最大、最重要的器官之一。皮膚感覺 (cutaneous senses) 是指皮膚受到物理或化學(xué)刺激所產(chǎn)生的觸覺、溫度覺、痛覺和癢覺等感覺的總稱。正常的皮膚感覺能夠讓動(dòng)物逃避有害刺激、抵御外界的傷害，對(duì)人體具有重要的保護(hù)作用，但是皮膚感覺的發(fā)生機(jī)制非常復(fù)雜，目前研究尚未闡明其具體機(jī)理，臨床上與皮膚感覺異常相關(guān)的疾病，例如慢性瘙癢性皮膚病、慢性疼痛等，給病人和社會(huì)帶來沉重負(fù)擔(dān)。Piezo2 作為一種機(jī)械敏感性陽離子通道參與機(jī)體多種生理活動(dòng)，包括介導(dǎo)低閾值觸覺、哺乳動(dòng)物的本體感覺、參與聽力形成或傳導(dǎo)、調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物呼吸和血壓等。近年來，越來越多的研究關(guān)注到Piezo2 在皮膚感覺中的作用，特別是在慢性瘙癢和疼痛中發(fā)揮了重要作用，本文主要總結(jié)了Piezo2 在皮膚感覺中的研究進(jìn)展，希望能為相關(guān)疾病的臨床治療提供一定的思路。

一、Piezo2 離子通道概述

1.Piezo2 的結(jié)構(gòu)與分布

Piezo 蛋白是具有2000 多個(gè)氨基酸的大型跨膜蛋白，存在30～40 個(gè)跨膜區(qū)域，是迄今為止鑒定的最大的質(zhì)膜離子通道復(fù)合體，并且與其他目前已知的離子通道或其他蛋白家族都不具有序列或結(jié)構(gòu)同源性。有研究者報(bào)道利用冷凍電鏡技術(shù)在國際上率先解析出鼠源 Piezo1 全長(zhǎng)三維結(jié)構(gòu)，表明 Piezo1通道是一種類似三葉螺旋槳的同源三聚體[2]。2019年，Wang 等[3]使用同樣技術(shù)解析了Piezo2 結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Piezo2 是一個(gè)三葉螺旋槳狀的三聚體，由114個(gè)跨膜螺旋組成一個(gè)非平面的三片葉形狀。

Piezo2 存在于大鼠大部分軀體感覺神經(jīng)元低閾值機(jī)械感受器，也在小鼠角膜感覺神經(jīng)元[4]和肺組織感覺神經(jīng)元表達(dá)。在人體中，Piezo2 蛋白通道主要分布在三叉神經(jīng)感覺細(xì)胞、背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、Merkel 細(xì)胞、Meissner 和 Pacinian 小體中，參與感應(yīng)輕觸覺、本體感覺、內(nèi)臟感覺傳遞[5,6]、軟骨細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力信號(hào)傳導(dǎo)[7]。Piezo2 基因突變可以引起肌肉萎縮、關(guān)節(jié)攣縮、脊柱側(cè)凸等遺傳性疾病[8,9]，并且可能參與調(diào)控皮膚曬傷后的輕觸痛反應(yīng)[10]。

2.Piezo2 的生物物理特性

（1）離子通透性：Piezo 通道家族是非選擇性陽離子通道。Piezo1 和 Piezo2 通道對(duì)陽離子選擇性的順序是：Ca2+> K+> Na+> Mg2+。這些離子通道的單通道電導(dǎo)及離子選擇特性主要由其孔道區(qū)的氨基酸序列組成及空間結(jié)構(gòu)所決定。作為孔道的特性之一，離子選擇特性也會(huì)隨著通道亞型的不同而發(fā)生變化[11]。利用結(jié)構(gòu)功能和突變研究，Ge 等[12]和Zhao 等[13]研究發(fā)現(xiàn) Piezo1 最后兩個(gè)跨膜螺旋包含參與離子通透的孔壁附著殘留物 (pore lining residues)。Geng 等[14]提出了替代二價(jià)滲透途徑，但是實(shí)際的殘留物及其機(jī)制尚未闡明。目前的研究已將離子通透的成孔區(qū)域縮小在C 末端，而機(jī)械敏感區(qū)被假設(shè)存在于N 端2000 個(gè)氨基酸的延伸區(qū)[13,14]。

（2）機(jī)械門控特性：Piezo2 的機(jī)械門控特性的發(fā)現(xiàn)來自于意外觀察到的Piezo2 結(jié)構(gòu)特征，Piezo2通道從側(cè)面看，它的螺旋槳葉片從質(zhì)膜平面向上和向外彎曲[3]，如果機(jī)械刺激橫向拉伸通道，那么螺旋槳葉片將逐漸變直，通道被打開[15]。但上述實(shí)驗(yàn)是在無細(xì)胞系統(tǒng)中進(jìn)行的，因此目前尚不清楚這種機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)制是否適用于天然質(zhì)膜。機(jī)械門控發(fā)生機(jī)制的重要理論之一是“力來自于脂”(force-fromlipids) 模式，即機(jī)械力是通過脂雙層的形變直接傳導(dǎo)到通道蛋白[16]。Piezo2 對(duì)機(jī)械力的傳導(dǎo)除了受到脂質(zhì)膜形變的影響，可能還接受胞內(nèi)和胞外蛋白質(zhì)的輔助作用。

3.細(xì)胞內(nèi)信號(hào)調(diào)控

Ca2+進(jìn)入細(xì)胞是許多生化信號(hào)的起點(diǎn)，包括基因表達(dá)調(diào)節(jié)、細(xì)胞骨架重構(gòu)和蛋白質(zhì)運(yùn)輸。Piezo2的Ca2+通透性參與了細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞分化和癌癥轉(zhuǎn)移[17～19]。Piezo2 也能與不同的胞內(nèi)鈣反應(yīng)蛋白發(fā)生相互作用[20]，從而驅(qū)動(dòng)特異性細(xì)胞反應(yīng)，包括肌動(dòng)蛋白聚合，NFAT、Yap1 和β-catenin 轉(zhuǎn)錄因子的激活[17～19]。Piezo2 自身也受到細(xì)胞信號(hào)的調(diào)控。Ca2+內(nèi)流可通過激活磷脂酶C，進(jìn)而酶解PI (4,5) P2 來阻斷Piezo2 的活性。相反，cAMP 信號(hào)通路通過激活PKA 和PKC 來促進(jìn)Piezo2 的機(jī)械敏感性[21]。Gi 蛋白偶聯(lián)受體，例如γ 氨基丁酸受體、血清素受體的激活能增強(qiáng)背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元的機(jī)械激活(mechanically activated, MA) 電流、激活HEK293 細(xì)胞上異源表達(dá)的Piezo2，并且阻斷Gβγ 或者抑制PI3K、MAPK 均能消除Piezo2 的激活[22]。

二、Piezo2 的藥理學(xué)研究（激動(dòng)劑和抑制劑）

目前尚未發(fā)現(xiàn)Piezo2 通道的特異性激動(dòng)劑，但炎癥信號(hào)可增強(qiáng) Piezo2 通道介導(dǎo)的MA 電流。在感覺神經(jīng)元中，炎癥因子緩激肽與緩激肽受體β2 結(jié)合激活蛋白激酶 A (protein kinase A, PKA) 和蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC) ，后兩者能增強(qiáng) Piezo2通道介導(dǎo)的機(jī)械激活電流，且延遲通道失活；并且PKA 的激動(dòng)劑8-BrcAMP 和PKC 的激動(dòng)劑佛波酯(PMA) 也能增強(qiáng) Piezo2 通道的活性[23]。機(jī)械敏感性離子通道阻斷劑釕紅(ruthenium red)、釓 (gadolinium)、鏈霉素能可逆性阻斷piezo 離子通道電流[9,24]。GsTMx4 是 Piezo2 通道的重要抑制劑, 它透過細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層并形成跨膜耦聯(lián)，使膜的流動(dòng)性發(fā)生改變，從而產(chǎn)生影響脂質(zhì)雙層膜轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)械張力的作用[25]。

三、Piezo2 與觸覺

觸覺 (touch sensation)是接觸、滑動(dòng)、壓覺等機(jī)械刺激引發(fā)的皮膚感覺的總稱，觸覺感受的機(jī)制目前尚未完全闡明。早在50 多年前，梅克爾細(xì)胞(Merkel cells, MCs) -神經(jīng)突復(fù)合體已被認(rèn)為是一種輕觸覺低閾值機(jī)械感受器 (LTMRs)，該復(fù)合體存在于皮膚中，由 Aβ 傳入神經(jīng)纖維和表皮 MCs 組成，在感受輕微觸覺方面扮演重要角色。2014 年，Woo等[26]首次在體外證實(shí)Merkel 細(xì)胞能夠產(chǎn)生觸覺誘發(fā)的電流；Piezo2 是表達(dá)在Merkel 細(xì)胞上的機(jī)械敏感型離子通道，可將觸覺刺激轉(zhuǎn)化為Ca2+動(dòng)作電位，使得Aβ 傳入神經(jīng)末梢發(fā)放慢適應(yīng)電沖動(dòng)，啟動(dòng)觸覺感受；通過皮膚表達(dá)Piezo2 缺陷小鼠，研究人員發(fā)現(xiàn)Merkel 細(xì)胞的觸覺感受功能完全依賴于Piezo2。小鼠感覺神經(jīng)元和 Merkel 細(xì)胞中缺乏 Piezo2 會(huì)導(dǎo)致輕微觸覺感受能力喪失，但對(duì)引起正常疼痛的皮膚刺激（如冷、熱、捏等）仍有反應(yīng)。Piezo2 功能缺失性突變可導(dǎo)致人的無毛皮膚低閾值觸覺喪失、兩點(diǎn)觸摸分辨能力下降，顯示其在人體輕觸覺感知中具有決定性作用[27]。在人胚胎干細(xì)胞分化、成熟為低閾值觸覺神經(jīng)元的過程中，運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組分析和原位雜交實(shí)驗(yàn)可以看到Piezo2 表達(dá)顯著增多，Piezo 離子通道阻斷劑ruthenium red 減弱了人胚胎干細(xì)胞來源低閾值觸覺神經(jīng)元對(duì)觸碰的電流反應(yīng)，證實(shí)Piezo2 是人低閾值感覺神經(jīng)元轉(zhuǎn)導(dǎo)觸覺的重要參與者[28]。Piezo2 作為觸覺感受器的功能還在果蠅、魚、鴨、鳥、大鼠中得以證實(shí)，說明Piezo2 在不同物種中具有保守性[29]。

四、Piezo2 與痛覺敏化

2012 年，Kim 等[30]首次在果蠅上證實(shí)Piezo參與傷害性感受的傳導(dǎo)：Piezo 敲除的果蠅幼蟲對(duì)傷害性機(jī)械刺激的反應(yīng)受到嚴(yán)重抑制，但對(duì)其他傷害性刺激或觸摸的反應(yīng)并未受到影響；而在Piezo 敲除的果蠅幼蟲的感覺神經(jīng)元中補(bǔ)充表達(dá)Piezo蛋白，能夠完全恢復(fù)其對(duì)傷害性機(jī)械刺激的反應(yīng)。內(nèi)皮素-1在多種類型的疼痛中發(fā)揮調(diào)控作用，F(xiàn)errari 等[31]發(fā)現(xiàn) Piezo2 mRNA 反義寡核苷酸相較于錯(cuò)配寡核苷酸，幾乎完全消除大鼠皮內(nèi)注射內(nèi)皮素-1 誘導(dǎo)的傷害性刺激痛覺超敏 (hyperalgesia)，說明 Piezo2 在內(nèi)皮素-1 誘發(fā)的傷害性刺激痛覺超敏中發(fā)揮機(jī)械力傳導(dǎo)作用。進(jìn)一步，研究人員發(fā)現(xiàn)Piezo2 mRNA 反義寡核苷酸可減弱血管內(nèi)皮細(xì)胞功能，減輕奧沙利鉑誘發(fā)外周神經(jīng)病理性疼痛大鼠的機(jī)械痛覺超敏(mechanical hyperalgesia)[31]。此外，研究表明選擇性 Epac1 激動(dòng)劑 8-pCPT 可使機(jī)械門控Piezo2 電流增強(qiáng)、小鼠痛覺敏化(allodynia)，痛覺閾值降低[32]。Ikeda 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，大鼠面部注射辣椒素可引起痛覺敏化、觸誘發(fā)痛，但用shRNA 敲低大鼠觸須毛囊 Piezo2 后，注射辣椒素引起的觸誘發(fā)痛行為顯著減少。以上研究說明Piezo2 與多種炎癥和慢性神經(jīng)病理性疼痛狀態(tài)下的觸誘發(fā)痛有關(guān)。

五、Piezo2 與機(jī)械癢、溫度覺

瘙癢是指一種可以引起搔抓愿望的不愉快的皮膚感覺,是許多皮膚疾病和系統(tǒng)性疾病的主要癥狀之一。瘙癢也是65 歲以上老年病人最常見的皮膚疾患，機(jī)制不明。Feng 等[34]發(fā)現(xiàn)老年小鼠和干皮癥小鼠皮膚中的Merkel 細(xì)胞數(shù)量顯著減少，Merkel 細(xì)胞越少的小鼠對(duì)機(jī)械刺激誘發(fā)的搔抓行為(mechanical itch)越明顯，并證實(shí)Merkel 細(xì)胞膜上的Piezo2 蛋白對(duì)觸覺到癢覺的轉(zhuǎn)換發(fā)揮調(diào)控作用。進(jìn)一步，該研究團(tuán)隊(duì)利用干皮癥小鼠AEW 模型，特異性敲除Merkel 細(xì)胞上Piezo2 后，發(fā)現(xiàn)該小鼠自發(fā)搔抓行為顯著減少；研究表明生理?xiàng)l件下，Merkel 細(xì)胞被Aβ 纖維特異性支配并介導(dǎo)觸覺感知；病理?xiàng)l件下，MrgprA3+纖維異常支配Merkel 細(xì)胞，形成了觸覺刺激誘發(fā)病理性癢覺信號(hào)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，闡明了“越抓越癢”的外周細(xì)胞和分子機(jī)制[35]。2022 年6 月，Hill 等[36]在《Nature》雜志發(fā)表最新研究，顯示瘙癢特異性感覺神經(jīng)元上特異性表達(dá)Piezo1，Piezo1 功能缺失突變顯著減少小鼠機(jī)械癢反應(yīng)，相反Piezo1 功能獲得性突變顯著增加小鼠機(jī)械癢反應(yīng)，揭示了Piezo1 在小鼠癢覺反應(yīng)中的作用。以上研究表明Piezo 蛋白在機(jī)械癢的轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要調(diào)控作用。

作為膜蛋白的Piezo2 會(huì)遭遇環(huán)境中的溫度波動(dòng)，而溫血?jiǎng)游锏沫h(huán)境溫度常常低于身體溫度。Zheng 等[37]通過電生理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Piezo2 的低溫敏感性主要依賴其葉片結(jié)構(gòu)域；在Piezo2 調(diào)控下，低溫能夠增加小鼠感覺神經(jīng)元機(jī)械敏感性受體的MA電流峰值，延遲MA 電流失活，從而增強(qiáng)感覺神經(jīng)元對(duì)機(jī)械刺激產(chǎn)生的電流，證明感覺神經(jīng)元可通過Piezo2 直接整合溫度刺激和機(jī)械刺激。

六、結(jié)語

生物體的機(jī)械感知參與了觸覺、聽覺、痛覺、血管發(fā)育和血壓的調(diào)節(jié)等。近年來，機(jī)械敏感性Piezo 離子通道在皮膚疾病病理生理中的作用逐漸受到重視，對(duì)于Piezo 離子通道基本結(jié)構(gòu)和功能特性的研究正在廣泛開展。隨著對(duì) Piezo2 在皮膚感覺作用中的深入研究，逐步闡明 Piezo2 通道的分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，有望為皮膚疾病治療開發(fā)新靶點(diǎn)。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。