細胞受到各種物理因子（電壓，力，溫度，光線，磁場等）刺激，會做出瞬時或者持續反應。其刺激對細胞命運可塑有著至關重要的作用。同時由于物理刺激，例如光線、磁場、溫度等，有著非侵入性的特征，其在非侵入性控制細胞命運方面的應用有著非常重要的潛在應用價值。
西湖大學細胞命運調控實驗室繼3月份報道人源電壓門控鉀離子通道Eag2電壓感應下的延遲整流機制后1，團隊聯合Victor Chang心臟研究所在Nature Communications雜志發表題為"A mechanical-coupling mechanism in OSCA/TMEM63 channel mechanosensitivity"的研究論文。
機械敏感離子通道作為細胞直接感應外界力變化的分子在生命體中廣泛存在，然而其鑒定卻進展緩慢。2021年，來自Scripps研究所的Ardem Patapoutian團隊就因為鑒定了人源PIEZO通道獲得2021年諾貝爾生理和醫學獎2。
OSCA最早由植物滲透壓響應缺陷篩選得到3，同時被證明能夠在爪蟾卵母細胞中異源表達并對滲透壓做出響應4。較PIEZO的低壓力響應閾值而言，作者早期鑒定為OSCA/TMEM63屬于更高壓力響應的機械敏感離子通道，并解析了其原子級的冷凍電鏡結構5。
結構顯示其與鈣離子激活的氯離子通道TMEM166和潛在的負責聽力的TMC家族7有著相似的親緣關系，都顯示出二聚體形式的類轉運體結構。研究其工作機制不僅對于理解OSCA/TMEM63蛋白如何響應力的變化有著重要的價值，同時對于TMEM16和TMC家族蛋白的工作機制有積極的意義。然而由于各種原因，如不能在冷凍電鏡環境下給OSCA/TMEM63施加較大的壓力，其工作機制一直難以被解析。
雖然OSCA/TMEM63在進化中高度保守，然而其演化出不同的壓力閾值和不同的門控特性的機械力敏感蛋白8。其中人源OSCA/TMEM63A基因在大腦中高度表達，顯示出更高壓力激活的迷你電導特性9。
作者純化了人源OSCA/TMEM63A蛋白并解析了其高分辨冷凍電鏡結構，意外發現人源OSCA/TMEM63A呈現單聚體形式而并非先前認為的二聚體形式。同時，冷凍電鏡結構清晰顯示一個磷脂分子阻塞了離子的流經。
巧合的是該磷脂占據的位置與鈣離子激活的氯離子通道TMEM16A中鈣離子占據的位置類似，表明OSCA/TMEM63A和TMEM16A的激活有著異曲同工的特點：一個被磷脂門控，另一個被鈣離子門控。
同時其磷脂阻塞機制與先前研究的細菌中機械敏感離子通道MscS和哺乳動物機械敏感鉀離子通道K2P的磷脂阻塞機制類似，表明OSCA/TMEM63雖然在結構上與MscS和K2P有著質的變化，但其都具有相似的脂膜介導的力感應機制。因此OSCA/TMEM63的門控特征結合了TMEM16A，MscS和K2P的門控特征。
進一步為了驗證人源的門控特征在二聚體形式的OSCA/TMEM63上是保守的。作者再次純化了擬南芥OSCA1.1的蛋白并組裝了納米盤來獲取更高分辨的冷凍電鏡結構。作者得到了2.5Å分辨率的擬南芥OSCA1.1在脂膜環境下的電鏡結構。
意外的是，作者發現與他們之前報道的在去垢劑環境下的結構有微弱的區別，其脂膜環境下二聚體中心相互作用處呈現擴張的構象，同時他們發現其擴張的構象可能與內源的溶血卵磷脂介導的，其結構也印證了之前報道的溶血卵磷脂能夠促進其激活的現象。
在該高分辨電鏡結構下，作者同樣看到了其單側通道區有類似的磷脂分子作為潛在的門控分子，結合在類似于人源OSCA/TMEM63A的磷脂結合處，表明其磷脂門控特性在二聚體形式的OSCA/TMEM63通道上也是保守的。
接著作者解析了二聚體更高壓力響應的的擬南芥OSCA3.1的高分辨結構，同樣也看到了其單側通道區有類似的磷脂分子結合在擬南芥OSCA3.1中。有趣的是擬南芥OSCA3.1呈現非常明顯的二聚體交界面擴張和緊縮的結構。
而其二聚體的緊縮形式是由每個亞基的第五次和第六次跨膜連接的彼此相互作用所介導的。作者猜測其從緊縮形式的OSCA3.1到擴張形式的OSCA3.1的轉變過程可能要打破該相互作用帶來的能量壁壘，因此呈現需要更高壓力的激活形式。
綜合上述，基于三套高分辨冷凍電鏡結構，作者在磷脂阻塞孔的力感應門控機制基礎上，提出了二聚體相互作用產生了力耦合傳導的力傳遞門控機制，為我們理解機械敏感離子通道力感應和傳遞提出了新的思路。
西湖大學細胞命運調控實驗室在講席教授裴端卿的指導下，將繼續在細胞物理感應和可塑的分支方向做出重要原創成果。
西湖大學生命科學學院講席教授裴端卿為本文的最后通訊作者，西湖大學生命科學學院章明鋒和澳大利亞Victor Chang心臟研究所Charles D Cox為共同通訊作者。西湖大學生命科學學院單圓月為本文的共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金委、西湖大學教育基金委、國家自然科學基金的大力支持，同時得到西湖大學冷凍電鏡平臺、高性能計算中心的技術支持。
1.Zhang, M., Shan, Y. & Pei, D. Mechanism underlying delayed rectifying in human voltage-mediated activation Eag2 channel. Nat Commun 14, 1470, doi:10.1038/s41467-023-37204-6 (2023).
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