Piezo家族離子通道感知機(jī)械力環(huán)境變化，將機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)化為下游電化學(xué)信號(hào)，介導(dǎo)多種重要的生理活動(dòng)，包括觸覺(jué)、痛覺(jué)的感知、淋巴管發(fā)育、血壓調(diào)節(jié)、神經(jīng)軸突再生等。它的功能的異常會(huì)導(dǎo)致觸覺(jué)超敏痛、淋巴管發(fā)育不良、神經(jīng)退行性疾病等。而圍繞Piezo家族蛋白功能機(jī)制的研究，仍存在諸多未解之謎。例如，Piezo蛋白自身能夠感知和傳遞機(jī)械力信號(hào)，但研究發(fā)現(xiàn)與異源表達(dá)的Piezo蛋白相比，在很多細(xì)胞系中內(nèi)源表達(dá)的Piezo表現(xiàn)出慢失活的門控特性（slow inactivation）。這種門控特性差異產(chǎn)生的原因和生理意義尚不清楚，研究推測(cè)與蛋白的相互作用或膜局部的磷脂組成等有關(guān)。由于許多離子通道都存在與之相結(jié)合的附屬亞基來(lái)調(diào)控其亞細(xì)胞定位和門控特性，科研人員致力于尋找能夠調(diào)控Piezo蛋白功能的附屬亞基。附屬亞基的定義通常為自身并不參與離子孔道形成 、與孔道蛋白有直接和穩(wěn)定的相互作用、在異源表達(dá)系統(tǒng)中能夠調(diào)控通道特性、在內(nèi)源細(xì)胞中能夠調(diào)控通道門控特性。盡管科學(xué)家做出了努力，但目前尚未發(fā)現(xiàn)能夠滿足以上四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Piezo附屬亞基，阻礙了對(duì)Piezo蛋白不同門控特性分子機(jī)制的研究。
8月18日，澳大利亞Victor Chang心臟研究所Charles Cox課題組與中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張一小課題組，在《科學(xué)》（Science）上，發(fā)表了題為《MyoD家族抑制蛋白作為Piezo通道的輔助亞基》（MyoD-family inhibitor proteins act as auxiliary subunits of Piezo channels）的研究文章。該研究首次報(bào)道了MyoD家族抑制蛋白MDFIC和MDFI是Piezo1/2的結(jié)合蛋白，通過(guò)結(jié)構(gòu)解析和功能研究發(fā)現(xiàn)MDFIC通過(guò)C末端一段高度脂質(zhì)化修飾的兩親性α螺旋從側(cè)面插向Piezo的孔道模塊，并證實(shí)該α螺旋能夠引起外源和內(nèi)源Piezo1/2的慢失活過(guò)程。該研究鑒定了首個(gè)Piezo蛋白附屬亞基，解釋了在許多細(xì)胞類型中觀察到的內(nèi)源Piezo通道截然不同的門控特性，為Piezo通道功能機(jī)制的研究提供了全新方向。
本研究利用CRISPR/Cas9編輯人真皮成纖維細(xì)胞?(hDF)?中的Piezo1（在多種組織來(lái)源的成纖維細(xì)胞中Piezo1表現(xiàn)出較慢的失活特性）,?通過(guò)三種不同的策略來(lái)鑒定Piezo1結(jié)合蛋白。研究經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析，確定三組中均存在但在各自的陰性對(duì)照中不存在的Piezo1相互作用蛋白。研究?jī)H鑒定出兩種蛋白質(zhì)——第一種是Piezo1，第二種是研究較少的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子MDFIC（圖1）。研究通過(guò)免疫共沉淀在HEK293T細(xì)胞中驗(yàn)證了MDFIC與Piezo1/2之間的相互作用。
為探究MDFIC與Piezo的相互作用模式，科研人員利用冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)，解析了Piezo1-MDFIC復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了MDFIC通過(guò)C末端一段富含半胱氨酸的兩親性α螺旋從側(cè)面插向Piezo的孔道模塊。該α螺旋橫躺于磷脂雙分子層內(nèi)側(cè)，與Piezo蛋白的多個(gè)氨基酸存在相互作用。研究顯示，在Piezo與MDFIC上均有能夠引起淋巴系統(tǒng)發(fā)育異常的突變位于該相互作用界面上，提示了Piezo-MDIFC復(fù)合物在功能上的重要性（圖2）。
由于MDFIC結(jié)合在Piezo的孔道模塊，研究推測(cè)MDFIC可能會(huì)調(diào)控Piezo的門控特性。通過(guò)全細(xì)胞膜片鉗，研究證實(shí)MDFIC和MDFI能夠顯著引起Piezo1/2通道的慢失活門控特性。該門控特性是由與Piezo相互作用的最C末端的兩親性α螺旋所介導(dǎo)，缺失該α螺旋的MDFIC則不能引起Piezo的慢失活。同時(shí)，研究驗(yàn)證了該α螺旋對(duì)于內(nèi)源Piezo的慢失活同樣重要（圖3）。
進(jìn)一步，研究初步探討了MDIFC引起Piezo慢失活的分子機(jī)制。由于在Piezo1-MDFIC復(fù)合物冷凍電鏡密度中，位于細(xì)胞膜一側(cè)的5個(gè)半胱氨酸上均具有多余的密度，研究推測(cè)其為脂質(zhì)化修飾。通過(guò)?；锼亟粨Q實(shí)驗(yàn)，研究證實(shí)MDFIC的C末端存在棕櫚酰化修飾。科研人員研究了MDFIC脂質(zhì)化修飾對(duì)Piezo門控特性的影響。研究將5個(gè)Cys突變?yōu)?個(gè)Ala或者5個(gè)Ser之后，缺少脂質(zhì)化修飾的MDFIC仍能夠與Piezo相結(jié)合，但無(wú)法引起Piezo的慢失活，提示MDFIC的脂質(zhì)化修飾對(duì)于Piezo的門控特性具有重要的調(diào)節(jié)作用。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究發(fā)現(xiàn)MDFIC上的脂質(zhì)化修飾能夠與在Piezo失活過(guò)程中起到關(guān)鍵作用的L2475相互作用，可能介導(dǎo)了MDFIC對(duì)于Piezo蛋白的調(diào)控（圖4）。
綜上，本文鑒定了首個(gè)Piezo蛋白附屬亞基MDFIC，通過(guò)結(jié)構(gòu)解析和功能研究，揭示了MDFIC介導(dǎo)Piezo慢失活的分子機(jī)制。研究工作得到科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院上海分院青年英才培育計(jì)劃、上海腦科學(xué)與類腦研究中心“求索杰出青年”計(jì)劃和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。
圖1.?親和捕獲質(zhì)譜鑒定MDFIC是Piezo結(jié)合蛋白
圖2.?Piezo1-MDFIC冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)
圖3.?MDFIC/MDFI調(diào)控Piezo蛋白的門控特性
圖4. MDFIC的脂質(zhì)化修飾參與Piezo門控調(diào)節(jié)
羰基構(gòu)建與轉(zhuǎn)化是羰基化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、生物質(zhì)和烴類化合物通過(guò)催化轉(zhuǎn)化的方法均可實(shí)現(xiàn)羰基的構(gòu)建。過(guò)渡金屬催化的CO羰基化反應(yīng)是構(gòu)建醛、醇、酸、酯、酰胺等含羰分子的有效手段之一，其中鹵代芳烴和胺/醇的羰基化反應(yīng)是合成酰胺/酯類化合物的重要方法。目前，該類反應(yīng)的催化體系集中在貴金屬催化劑而非貴金屬多相催化體系鮮有報(bào)道。
中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所羰基合成與選擇氧化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室均多相融合催化課題組長(zhǎng)期致力于多相羰基化反應(yīng)研究。近期，該課題組基于“組合位點(diǎn)催化”的理念，在Fe2O3上通過(guò)構(gòu)建一個(gè)氧空位（Fe2O3-Ovac），一步獲得了三個(gè)具有不同配位環(huán)境和電荷分布的Fe位點(diǎn)。三個(gè)位點(diǎn)分別催化鹵化芳烴和胺羰基化反應(yīng)中的不同基元步驟，即碘苯活化（Fe1和Fe3位點(diǎn)）、CO插入（Fe1和Fe2位點(diǎn)）、C-N偶聯(lián)（Fe3、Fe1和Fe2位點(diǎn)）（圖1）。
該催化體系活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)明確、易于循環(huán)利用，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和底物適用性，為非貴金屬羰基合成多相催化材料的理性設(shè)計(jì)提供了新思路。
多種催化劑結(jié)構(gòu)表征表明，隨著不同量的NaBH4處理Fe2O3，能得到不同氧空位濃度的催化劑（圖2a-d）。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，催化劑表面氧空位的濃度和催化劑的活性呈線性關(guān)系（e），催化劑多次重復(fù)使用活性仍保持穩(wěn)定（f）。
進(jìn)一步，DFT計(jì)算表明，F(xiàn)e1和Fe3位點(diǎn)容易活化碘苯，能壘只有0.54eV。該研究對(duì)碘苯吸附結(jié)構(gòu)和催化劑電子結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，氧空位存在時(shí)苯環(huán)平行吸附在催化劑表面，與催化劑有更強(qiáng)的相互作用。與不含氧空位的Fe2O3相比，F(xiàn)e2O3-Ovac的d帶中心更靠近費(fèi)米能級(jí)，即更易活化碘苯的C-I鍵。在生成4-苯甲酰嗎啉的三步基元反應(yīng)中，CO插入反應(yīng)能壘最高，為1.04eV，是碘苯胺羰化的決速步。
相關(guān)研究成果以Constructing multiple active sites in iron oxide catalysts for improving carbonylation reactions為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature?Communications）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院、甘肅省自然科學(xué)基金和蘭州化物所協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金等的支持。
圖1.?Fe2O3-Ovac催化劑中三個(gè)不同的Fe位點(diǎn)組合催化碘苯和胺的羰基化反應(yīng)
圖2.?Fe2O3-Ovac催化劑中氧空位的表征（a-d），空位濃度和活性的關(guān)系（e）以及催化劑的重復(fù)使用（f）
圖3.?碘苯和胺在Fe2O3-Ovac催化劑上的催化循環(huán)和反應(yīng)能壘（a、b）及在Fe2O3-Ovac和Fe2O3催化劑表面碘苯吸附的差分電荷密度（c、d）以及Fe2O3-Ovac和Fe2O3催化劑表面Fe1和Fe3的d帶中心研究（e）
西藏羌塘盆地是青藏高原北部重要的含有多種資源潛力的盆地，近年來(lái)成為油氣、礦產(chǎn)資源勘查的重要地區(qū)。而羌塘盆地的構(gòu)造演化是學(xué)術(shù)界關(guān)注和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。爭(zhēng)論的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是羌塘盆地中部的中央隆起帶（高壓變質(zhì)帶）是原位形成的，抑或是由北側(cè)的金沙江帶向南俯沖形成的；另一科學(xué)問(wèn)題則是判斷羌塘盆地中部中央隆起帶是代表了原特提斯洋至古特提斯洋的連續(xù)演化還是兩個(gè)洋盆的獨(dú)立演化。
為探究古特提斯洋的早期演化及其與原特提斯洋的關(guān)系等地質(zhì)學(xué)者長(zhǎng)期關(guān)注且存在爭(zhēng)議的科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所科考團(tuán)隊(duì)多次前往羌塘盆地中部開(kāi)展科學(xué)考察。2020年的考察中，科考人員在尼瑪縣榮瑪鄉(xiāng)北部岡塘錯(cuò)一帶發(fā)現(xiàn)了放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖。
近期，南京古生物所副研究員李鑫、研究員張以春等，聯(lián)合日本東北大學(xué)準(zhǔn)教授鈴木紀(jì)毅以及南京大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（徐州）等同行，針對(duì)北部岡塘錯(cuò)一帶新發(fā)現(xiàn)的放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖展開(kāi)實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了重要的晚泥盆世放射蟲(chóng)動(dòng)物群。相關(guān)研究成果發(fā)表在《岡瓦納研究》（Gondwana Research）上。
放射蟲(chóng)是海生浮游生物，廣布于世界各海洋。放射蟲(chóng)死亡后，骨骼沉落到海洋底面，在水深大于碳酸鹽補(bǔ)償深度（4000–5000 m）的地區(qū)沉積，稱為放射蟲(chóng)軟泥，此后經(jīng)過(guò)成巖作用形成放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖。羌塘盆地中部“中央隆起帶變質(zhì)巖系”中的蛇綠質(zhì)混雜巖由變質(zhì)橄欖巖、堆晶巖、輝長(zhǎng)巖、玄武巖、硅質(zhì)巖和灰?guī)r組成。蛇綠質(zhì)混雜巖中的硅質(zhì)巖代表了基性巖之上的沉積蓋層，因此硅質(zhì)巖中的放射蟲(chóng)動(dòng)物群可以用來(lái)限定蛇綠巖的形成時(shí)代，進(jìn)而追溯古大洋的演化歷史。
該研究在羌塘中部“中央隆起帶變質(zhì)巖系”中發(fā)現(xiàn)了晚泥盆世放射蟲(chóng)動(dòng)物群。該動(dòng)物群包含Callela parvispinosa?Won、Entactinia foveolata?Nazarov和?Plenoentactinia pinguis?Won等種屬。該動(dòng)物群與前人在雙湖縣才多茶卡發(fā)現(xiàn)的晚泥盆世放射蟲(chóng)構(gòu)成東西向條帶，證明羌塘中部的高壓變質(zhì)帶具有典型的構(gòu)造混雜巖特征。研究根據(jù)晚泥盆世放射蟲(chóng)在特提斯域的分布提出，當(dāng)時(shí)的龍木錯(cuò)雙湖縫合帶與云南的昌寧–孟連縫合帶、泰國(guó)的Chiang Mai–Inthanon和Chanthaburi縫合帶以及馬來(lái)西亞的Bentong–Raub縫合帶是相連接的，并共同構(gòu)成了岡瓦納和歐亞大陸之間的古特提斯洋主洋盆。
科研人員綜合前人關(guān)于發(fā)現(xiàn)晚泥盆世古特提斯洋內(nèi)的放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖沉積在多個(gè)地區(qū)突然出現(xiàn)，且在縫合帶中都缺乏更早的放射蟲(chóng)記錄，推斷古特提斯洋可能在晚泥盆世時(shí)期打開(kāi)。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和深時(shí)數(shù)字地球國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃等的支持。
圖1.?岡塘錯(cuò)一帶黑色硅質(zhì)巖中晚泥盆世放射蟲(chóng)動(dòng)物群
圖2.?歐亞地區(qū)晚泥盆世放射蟲(chóng)動(dòng)物群分布
圖3.?古特提斯洋的演化及龍木錯(cuò)–雙湖縫合帶的形成
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