粗粒モデリングによるPiezo1チャネルの活性化と不活性化の構造的ダイナミクスの調査

脊椎動物の機械感受性チャネルのファミリーであるピエゾチャンネルは、機械的刺激（膜張力など）とそれに続く不活性化の速い活性化を特徴としています。Piezo1の三量体型の中分解構造は、極低電子顕微鏡（Cryo-EM）によって解決されましたが、チャネルの活性化と不活性化の原因となる重要な構造変化はまだ不明です。Piezo1の活性化と不活性化の構造メカニズムを復号化するために、弾性ネットワークモデルと関連するモデリング/分析ツールを使用して、系統的な粗粒モデリングを実行しました（つまり、通常モード分析、柔軟性とホットスポット分析、相関分析、Cryo-EMベースのハイブリッドモデリングと柔軟なフィッティング）。緊張誘発性の活性化と不活性化をそれぞれ促進し、それぞれ緩やかな緩和時間を駆動する可能性のある4つの重要な動きモードを特定しました。これらのモードは、末梢ドメインの横方向および垂直方向の動きを、細胞内前庭の開閉と垂直方向の運動を結合し、外部の機械的力が引き起こし、活性化/不活性化の遷移を調節できるようにします。また、ドメイン固有の柔軟性プロファイルを計算し、主要なドメインドメインインターフェイスとヒンジでホットスポット残基を予測しました。我々の結果は、ピエゾチャネルの変異および機能的研究に関する文献と一致する前例のない構造的および動的な情報を提供し、この重要な機械感受性チャネルの将来の研究を導きます。

The PIEZO channels, a family of mechanosensitive channels in vertebrates, feature a fast activation by mechanical stimuli (eg, membrane tension) followed by a slower inactivation. Although a medium-resolution structure of the trimeric form of PIEZO1 was solved by cryo-electron microscopy (cryo-EM), key structural changes responsible for the channel activation and inactivation are still unknown. Toward decrypting the structural mechanism of the PIEZO1 activation and inactivation, we performed systematic coarse-grained modeling using an elastic network model and related modeling/analysis tools (ie, normal mode analysis, flexibility and hotspot analysis, correlation analysis, and cryo-EM-based hybrid modeling and flexible fitting). We identified four key motional modes that may drive the tension-induced activation and inactivation, with fast and slow relaxation time, respectively. These modes allosterically couple the lateral and vertical motions of the peripheral domains to the opening and closing of the intra-cellular vestibule, enabling external mechanical forces to trigger, and regulate the activation/inactivation transitions. We also calculated domain-specific flexibility profiles, and predicted hotspot residues at key domain-domain interfaces and hinges. Our results offer unprecedented structural and dynamic information, which is consistent with the literature on mutational and functional studies of the PIEZO channels, and will guide future studies of this important family of mechanosensitive channels.