Piezo1在癌癥中的作用研究進(jìn)展

安外爾·約麥爾阿卜拉 ， 孫莉莉 ， 布爾蘭·葉爾肯別克 ， 郭文佳

新疆醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，烏魯木齊 830001

機(jī)械力轉(zhuǎn)導(dǎo)是一種基本的生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，可促進(jìn)真核細(xì)胞或原核細(xì)胞將各種機(jī)械力轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)［1-2］。機(jī)械力轉(zhuǎn)導(dǎo)在調(diào)節(jié)許多基本生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用，包括觸覺(jué)、痛覺(jué)、本體感覺(jué)、骨穩(wěn)態(tài)和血壓［3-5］。一般而言，機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程依賴(lài)于機(jī)械敏感性離子通道（機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)器）來(lái)啟動(dòng)可興奮細(xì)胞膜的去極化或觸發(fā)不可興奮細(xì)胞中的鈣信號(hào)。因此，一系列下游信號(hào)傳導(dǎo)途徑被激活，導(dǎo)致特定細(xì)胞和生理反應(yīng)的調(diào)節(jié)［6-7］。進(jìn)化上保守的壓電蛋白（Piezo），包括Piezo1和Piezo2，屬于大離子通道蛋白。在過(guò)去的十年中，已經(jīng)研究了Piezo1在各種機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)中的基本功能［8-9］。Piezo1蛋白在多種組織和器官中表達(dá)，包括淋巴、心血管系統(tǒng)、免疫細(xì)胞和骨骼［10］，并參與淋巴管發(fā)育［11］、血管發(fā)育［12］、血壓調(diào)節(jié)［13］、細(xì)胞遷移［14］、先天免疫［15］、紅細(xì)胞體積穩(wěn)態(tài)［16］、骨穩(wěn)態(tài)和上皮穩(wěn)態(tài)［17］。另外，Piezo1是一種機(jī)械感受器，通過(guò)感知牽引力參與神經(jīng)干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞的分化。相比之下，Piezo2主要在初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元中表達(dá)，與觸痛覺(jué)、輕觸覺(jué)、氣道伸展、本體感受相關(guān)［18］。鑒于其在生理學(xué)上的重要性，由功能獲得性或功能喪失性突變引起的Piezo蛋白功能異常與各種病理狀況相關(guān)。已有研究證實(shí)了Piezo蛋白的生理學(xué)和治療學(xué)意義以及它們作為新的潛在藥物靶點(diǎn)的潛力。

1 Piezo1的結(jié)構(gòu)

Piezo1離子通道是一種巨大的跨膜蛋白，在原生生物、動(dòng)物和植物（細(xì)菌和酵母除外）中進(jìn)化保守。此外，Piezo蛋白家族具有獨(dú)特的序列模式，與其他已知的陽(yáng)離子通道蛋白家族缺乏序列同源性［10］。在人類(lèi)中，Piezo1基因位于染色體16q24.3上，含有編碼2520個(gè)氨基酸殘基的51個(gè)外顯子。相比之下，小鼠的Piezo1基因位于8號(hào)染色體，由53個(gè)外顯子組成，編碼2547個(gè)氨基酸殘基［19-20］。冷凍電子顯微鏡（cryo-electro microscopy，cryo-EM）技術(shù)的迅速發(fā)展極大地促進(jìn)了對(duì)Piezo1蛋白結(jié)構(gòu)特征及其生物學(xué)功能的研究。2015年，Ge等［21］首次報(bào)道了重組全長(zhǎng)小鼠Piezo1蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率為4.8 ?。隨后，Saotome［22］和Zhao等［23］提供了分辨率更高的小鼠Piezo1蛋白結(jié)構(gòu)，分別為3.8 ?和3.97 ?。一般來(lái)說(shuō)，小鼠Piezo1蛋白表現(xiàn)出獨(dú)特的螺旋槳形狀的三葉同源三聚體。同源三聚體的每個(gè)亞基含有外周葉片，該葉片含有38個(gè)跨膜區(qū)（TM）螺旋、C-末端結(jié)構(gòu)域（CTD）、C末端胞外結(jié)構(gòu)域（CED）、1個(gè)錨和1個(gè)90 ?長(zhǎng)的梁在細(xì)胞內(nèi)側(cè)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能特征，Piezo1蛋白可分為3種組分，包括1個(gè)N-端葉片，該葉片包含機(jī)械感應(yīng)模塊，1個(gè)由梁和錨組成的轉(zhuǎn)導(dǎo)模塊，以及1個(gè)C-端離子傳導(dǎo)孔模塊。這些模塊化組件對(duì)于Piezo1通道的正常機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)功能至關(guān)重要［22］（圖1，PDB編號(hào)5Z10）。

2 Piezo1通道的動(dòng)力學(xué)特性

2.1 激活Piezo1通道

結(jié)構(gòu)和功能研究表明，Piezo1可以被剪切應(yīng)力拉伸、戳和基底變形激活［24］。基于獨(dú)特的三葉螺旋槳形狀的同源三聚體結(jié)構(gòu)，杠桿狀機(jī)械門(mén)控機(jī)制是Piezo1通道機(jī)械敏感性的原因［25］。結(jié)構(gòu)上，高度彎曲和非平面的THU構(gòu)成的葉片用作直接感知膜曲率和張力的機(jī)械感受器。同時(shí)，長(zhǎng)杠桿狀梁的作用是將機(jī)械力從葉片傳遞到離子傳導(dǎo)模塊，殘基L1342和L1345作為機(jī)械力傳遞的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，Piezo1蛋白中的L1342 A/L1345 A雙突變體表現(xiàn)出顯著降低的機(jī)械敏感性。由于杠桿的樞軸與中心孔的位置比與遠(yuǎn)端葉片的位置更接近，所以這種杠桿樣機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制可能使Piezo1通道能夠有效地將遠(yuǎn)端葉片的大構(gòu)象變化轉(zhuǎn)化為中心孔相對(duì)輕微的開(kāi)口，從而允許陽(yáng)離子選擇性跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)（如K+、Na+、Cs+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、TMA、TEA）［26］?；赑iezo1將局部脂質(zhì)膜扭曲成圓頂形狀的能力，Guo等［27］提出了膜圓頂機(jī)制假說(shuō)，以解釋Piezo1的精細(xì)機(jī)械敏感性。在該假說(shuō)中，閉合形態(tài)中由Piezo1觸發(fā)的膜圓頂在橫向膜張力下變得更平坦（更平面）。因?yàn)檩^平坦的構(gòu)象不限制孔敞開(kāi)，并且膨脹和孔直徑是解耦的，所以Piezo1表現(xiàn)出更小的傳導(dǎo)性。然而，膨脹平面的面積在數(shù)量上與圓頂面積的變化相對(duì)應(yīng)，因此膜張力的變化依賴(lài)于投影面積的變化。Piezo1通道隨后由于相對(duì)能量差異而打開(kāi)。除了膜張力（穿脂力）外，Piezo1還可被細(xì)胞骨架栓系（穿絲力）激活。例如，在力穿絲模型中細(xì)胞骨架會(huì)牽引離子通道，誘導(dǎo)其門(mén)控構(gòu)象變化。反過(guò)來(lái)，Piezo1可以在多個(gè)長(zhǎng)度和時(shí)間尺度上反饋調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)，以確定各種生命過(guò)程，如細(xì)胞遷移［28］。據(jù)報(bào)道，Piezo1不僅通過(guò)機(jī)械刺激激活，還通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用激活。例如，胃蛋白樣蛋白-3（STOML 3）通過(guò)膽固醇結(jié)合使Piezo1介導(dǎo)的電流敏感［29］。小鼠TTN 3（TMEM 150 c）可顯著延長(zhǎng)Piezo1介導(dǎo)的機(jī)械電流的持續(xù)時(shí)間。此外，研究發(fā)現(xiàn)小化學(xué)分子Yoda1和Jedi 1/2也能增強(qiáng)Piezo1機(jī)械誘導(dǎo)反應(yīng)的敏感性［26］（圖2）。

圖2 Piezo1通道作用機(jī)制Fig. 2 The action mechanism of the Piezo1 channel

2.2 Piezo1通道的失活動(dòng)力學(xué)

Piezo1通道由各種類(lèi)型的機(jī)械力激活，并順序觸發(fā)快速衰減的機(jī)械激活電流。Piezo1的電壓依賴(lài)性失活動(dòng)力學(xué)研究顯示，在正壓電位時(shí)，通道緩慢打開(kāi)，在負(fù)壓電位時(shí)通道快速打開(kāi)［30］。到目前為止，至少有6個(gè)與脫水遺傳性口形紅細(xì)胞增多癥（dehydrated hereditary stomatocytosis，DHS）相關(guān)的功能獲得性突變已經(jīng)被鑒定，它們主要位于Piezo1的核心區(qū)域。例如，R2456H和M2225R這2種DHS引起的突變分別位于IH和CED，這些殘基的雙突變幾乎消除了失活狀態(tài)，表明中心核心區(qū)可能決定了失活動(dòng)力學(xué)［31］。同樣，壓電嵌合體研究證實(shí)，失活動(dòng)力學(xué)由孔模塊、CED和IH決定。IH中帶正電荷的殘基K2479也被認(rèn)為是Piezo1的電壓依賴(lài)性失活動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵。Lewis等［32］鑒定了胞外帽內(nèi)的3個(gè)小亞結(jié)構(gòu)域，它們可分別賦予不同的Piezo1失活動(dòng)力學(xué)。此外，Zheng等［33］揭示了功能上保守的疏水門(mén)是Piezo1孔襯內(nèi)螺旋失活的主要決定因素，其由疏水殘基L2475和V2476組成?？傊@些研究一致證明了中心核心區(qū)在調(diào)節(jié)Piezo1失活動(dòng)力學(xué)中的重要作用（圖2）。

3 Piezo1通道在癌癥中的作用

癌癥是全球最大的健康問(wèn)題之一［34-35］。癌癥是一種多因素疾病，其特征是由于致癌基因、外源性和內(nèi)源性因素以及細(xì)胞基因組中現(xiàn)有和獲得性變化導(dǎo)致的遺傳不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)失控［36］。目前，癌癥是全球死亡率最高的疾病［37］。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）的數(shù)據(jù)，到2030年，全球癌癥相關(guān)死亡率將達(dá)到80%［38］。盡管與癌癥治療相關(guān)的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但惡性腫瘤的全球發(fā)病率和死亡率仍然很高［39］。Piezo1蛋白在多種病理生理過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用［19］，包括血管發(fā)育、感知血流剪切應(yīng)力、調(diào)節(jié)紅細(xì)胞功能以及控制細(xì)胞遷移和分化。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明Piezo1在人體的許多系統(tǒng)性腫瘤中異常表達(dá)，包括消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)腫瘤［40］。癌癥基因組圖譜（the cancer genome atlas， TCGA）數(shù)據(jù)庫(kù)顯示Piezo1在幾種惡性腫瘤中過(guò)表達(dá)，包括口腔鱗狀細(xì)胞癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、滑膜肉瘤、骨肉瘤、膀胱癌、前列腺癌、乳腺癌、滑膜癌、結(jié)腸直腸癌和胃癌，并且涉及癌細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移和侵襲。在機(jī)制上，Piezo1可介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)的增加，并作為普遍存在的第二信使啟動(dòng)與腫瘤進(jìn)展相關(guān)的一系列下游通路的信號(hào)傳導(dǎo)，包括ERK1/2、Akt/mTOR和YAP。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)Piezo1的激活也會(huì)促進(jìn)HIF-1α的過(guò)表達(dá)。HIF-1α是一種血管生成的促進(jìn)因子，促進(jìn)血管生長(zhǎng)和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition， EMT）。此外，Piezo1還可以通過(guò)與三葉因子家族1（TFF1）結(jié)合促進(jìn)癌細(xì)胞的遷移和侵襲［40-42］。重要的是，研究發(fā)現(xiàn)高水平的Piezo1與腫瘤患者的總生存率呈負(fù)相關(guān)，使得Piezo1成為惡性腫瘤早期診斷和預(yù)后的潛在生物標(biāo)志物［43］。Zhang等［44］利用實(shí)時(shí)定量PCR和蛋白質(zhì)印跡法發(fā)現(xiàn)，與正常胃組織相比，Piezo1在胃癌細(xì)胞系中過(guò)表達(dá)并且與患者的生存率低相關(guān)。但是，也有研究證實(shí)在非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer， NSCLC）中，Piezo1的表達(dá)水平較低，而這一表現(xiàn)促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，進(jìn)而降低了NSCLC患者的總生存率［45］。最近的研究表明，Piezo1在上皮細(xì)胞擁擠和上皮細(xì)胞稀疏區(qū)域被激活以維持上皮細(xì)胞的穩(wěn)定狀態(tài)［46］。Piezo1通過(guò)充當(dāng)Yes相關(guān)蛋白（Yes-associated protein， YAP）信號(hào)的轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)［39］并與整聯(lián)蛋白粘著斑激酶（FAK）信號(hào)相互作用，促進(jìn)口腔鱗狀細(xì)胞癌（oral squamous cell carcinoma， OSCC）細(xì)胞增殖。Han等［40］通過(guò)對(duì)手術(shù)標(biāo)本進(jìn)行qPCR和免疫組織化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)前列腺癌細(xì)胞中Piezo1的表達(dá)較正常前列腺組織升高；在體外，Piezo1的上調(diào)促進(jìn)了癌細(xì)胞的存活、增殖和遷移，而Piezo1的下調(diào)抑制了體外前列腺癌細(xì)胞的生存、增殖和遷移，以及體內(nèi)前列腺腫瘤的生長(zhǎng)。研究表明，Piezo1通過(guò)激活A(yù)kt/mTOR通路促進(jìn)前列腺癌的發(fā)展，從而延長(zhǎng)了細(xì)胞周期。同樣，研究發(fā)現(xiàn)在胃癌中Piezo1的下調(diào)或沉默可抑制癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲，并促進(jìn)體外細(xì)胞凋亡［42］。因此，Piezo1作為一種生物標(biāo)志物有望成為治療前列腺癌的新靶點(diǎn)。

4 展望

自然界中，生物體在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，不斷受到外界環(huán)境的機(jī)械刺激。生物體感受外界機(jī)械力并作出反應(yīng)，維持內(nèi)環(huán)境的正常生理功能是必不可少的。機(jī)械電導(dǎo)是信號(hào)傳遞的基本生物學(xué)過(guò)程，它促使真核細(xì)胞或原核細(xì)胞將機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)。離子通道是介導(dǎo)機(jī)械力信號(hào)快速響應(yīng)的主要受體，其通過(guò)促進(jìn)各種無(wú)機(jī)離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，調(diào)節(jié)細(xì)胞膜內(nèi)外離子的濃度。Piezo1作為進(jìn)化上保守的機(jī)械敏感陽(yáng)離子通道的一員，在在骨形成、天然免疫和癌癥等各種生理和病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。Piezo1的功能增益突變和功能缺失突變已被報(bào)道與多種疾病有關(guān)。因此，對(duì)Piezo1的活性進(jìn)行調(diào)節(jié)有望為疾病治療帶來(lái)新的思路和方法。盡管近年來(lái)已研發(fā)出許多拮抗劑和激動(dòng)劑，它們能夠直接或間接地與Piezo1結(jié)合，但這些調(diào)節(jié)劑通常表現(xiàn)出適度的結(jié)合親和力和非最佳的“類(lèi)藥”性質(zhì)。由于Piezo1介導(dǎo)的Ca2+腫瘤細(xì)胞中的信號(hào)廣泛影響其下游通路，需要進(jìn)一步研究闡明有關(guān)Piezo1調(diào)控及其對(duì)下游靶點(diǎn)調(diào)控的詳細(xì)分子機(jī)制，以及開(kāi)發(fā)特異性和直接的Piezo 1拮抗劑等。

綜上所述， Piezo1在癌癥發(fā)生發(fā)展中的作用研究仍處于起步階段， 需要進(jìn)一步研究闡明Piezo1的結(jié)構(gòu)特性，以及Piezo1和其他機(jī)械敏感離子通道和膜蛋白是否共同作用影響癌癥的發(fā)展。相信隨著對(duì)機(jī)械敏感離子通道Piezo1的進(jìn)一步研究，Piezo1很可能成為腫瘤診斷和治療的新靶點(diǎn)，為癌癥個(gè)體化治療開(kāi)辟新的思路。