從結構到功能介紹Piezo1的分子機制及其醫學意義_abio生物試劑品牌網
2024年，諾貝爾生理學或醫學獎得主Ardem Patapoutian做了一件讓科學界和藝術界同時驚嘆的事：他將PIezo1離子通道的三維結構紋在了右臂上。這一設計的精妙之處在于紋身位置的選擇——當Patapoutian屈臂時，手肘彎曲處的皮膚拉伸會使蛋白紋身的"螺旋槳"結構變形，完美復現了Piezo1在細胞膜中被力激活時的構象變化。這一設計不僅是對科學發現的致敬，更是一場精妙的"人體實驗"：用身體動作直觀演繹分子機制，讓深奧的生物學變得觸手可及。
Ardem Patapoutian及他的右臂Piezo1紋身 Piezo1的發現：揭開機械感知的奧秘
2010年，Patapoutian團隊采用創新性的功能篩選策略，通過顯微操作技術施加精確機械刺激，并結合電生理記錄和RNA干擾技術，成功鑒定出Piezo1[1]。它的發現解答了一個長期困擾科學界的謎題：細胞如何將機械力（如壓力、觸摸甚至心跳）轉化為生物信號？Piezo1如同一根精密的“分子天線”，使生命體得以“感知”外界力學刺激。
Piezo1的分子機制：從結構到功能
Piezo1是一種由三個相同亞基組成的同源三聚體膜蛋白。當細胞受到壓力、拉伸或剪切力時，Piezo1結構發生改變，形成離子通道，主要允許鈣離子（Ca2?）涌入細胞，從而將“力”轉化為電信號和生化反應——這一過程被稱為機械轉導（mechanotransduction）。這一機制與Patapoutian的紋身異曲同工——折疊的手臂拉伸皮膚，紋身圖案變形，恰似Piezo1在膜張力下的激活過程（圖1手臂折疊時正如下圖2c左邊）。它讓細胞能“聽見”血流、“感受”觸摸、“察覺”器官擴張，堪稱細胞的“力學傳感器”。
Piezo1蛋白的側視圖、俯視圖以及被膜拉伸激活的機制圖[2]
Piezo1的醫學意義：從基礎研究到治療潛力
Piezo1廣泛分布于包括神經系統、血管心肌、骨骼等人體多種組織，參與調控發育、血壓、呼吸等多種生理功能。正因其核心地位，其功能異常與多種疾病密切相關。在骨關節炎中，軟骨細胞因異常壓力過度激活Piezo1，引發炎癥與退變；在動脈粥樣硬化中，紊亂血流激活血管內皮Piezo1，促進斑塊形成[3]；最新研究還發現，Piezo1在多發性硬化癥中抑制髓鞘再生，在鐮狀細胞病中導致紅細胞脫水，已成為潛在治療靶點[4]。更令人振奮的是，適度激活Piezo1可顯著提升細胞外泌體的釋放，為再生醫學和藥物遞送開辟新路徑[5]。
治療調控與未來展望
Piezo1的發現為機械轉導提供了一個具體的分子實體，使得研究人員能夠更深入地探討物理力如何調控生物學過程。這從根本上改變了科學家們研究生理和病理過程的方式，從純粹關注化學信號轉變為全面整合機械信號的新視角。賽業生物Piezo1基因敲除小鼠等工具的應用，能夠促進相關研究，進一步深化我們對Piezo1及其在健康與疾病中的角色的認識，同時也能輔助靶點相關一系列激動劑，拮抗劑和調節劑的開發。隨著研究的深入，Piezo1持續為細胞機械轉導機制提供革命性見解，其轉化醫學價值正在催生針對多種疾病的新一代治療策略。這場由基礎研究驅動的生物醫學革命，才剛剛開始。
參考文獻：
[1]Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science. 2010 Oct 1;330(6000):55-60. doi: 10.1126/science.1193270. Epub 2010 Sep 2. PMID: 20813920; PMCID: PMC3062430.
[2]Qin L, He T, Chen S, Yang D, Yi W, Cao H, Xiao G. Roles of mechanosensitive channel Piezo1/2 proteins in skeleton and other tissues. Bone Res. 2021 Oct 20;9(1):44. doi: 10.1038/s41413-021-00168-8. PMID: 34667178; PMCID: PMC8526690.
[3]Yang J, Xu C, Xie X, Wang J, Shi P. Roles of Piezo1 in chronic inflammatory diseases and prospects for drug treatment (Review). Mol Med Rep. 2025 Jul;32(1):200. doi: 10.3892/mmr.2025.13565. Epub 2025 May 16. PMID: 40376999; PMCID: PMC12105466.
[4]Zhang Y, Yang X, Deng S, Wang C, Hu J, Lan Q. Mechanosensitive Piezo1 channel: an emerging target in demyelination disease. Front Cell Neurosci. 2025 Jul 9;19:1556892. doi: 10.3389/fncel.2025.1556892. PMID: 40703567; PMCID: PMC12283589.
[5]Andrade AC, Le Goas O, Lemieux S, Grangier A, NicolAI A, Guerrera C, Ribes C, Suply E, Volatron J, Gazeau F, Silva AKA. Piezo1 activation increases the release of therapeutic extracellular vesicles after mechanical stimulation in bioreactors. bioRxiv. 2025 Jan 9:2025.01.09.632205. doi: 10.1101/2025.01.09.632205.
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