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Structure deformation and curvature sensing of PIEZO1 in lipid membranes

生物物理学 压电1 脂质双层 门控 离子通道 小泡 化学 张力(地质) 机械转化 膜曲率 曲率 细胞膜弹性 变形(气象学) 材料科学 机械敏感通道 压缩(物理) 脂质双层相行为 生物化学 几何学 生物 复合材料 细胞生物学 受体 数学
作者
Xu-Zhong Yang,Chao Lin,Xudong Chen,Shouqin Li,Xueming Li,Bailong Xiao
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:604 (7905): 377-383 被引量:238
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04574-8
摘要

PIEZO channels respond to piconewton-scale forces to mediate critical physiological and pathophysiological processes1-5. Detergent-solubilized PIEZO channels form bowl-shaped trimers comprising a central ion-conducting pore with an extracellular cap and three curved and non-planar blades with intracellular beams6-10, which may undergo force-induced deformation within lipid membranes11. However, the structures and mechanisms underlying the gating dynamics of PIEZO channels in lipid membranes remain unresolved. Here we determine the curved and flattened structures of PIEZO1 reconstituted in liposome vesicles, directly visualizing the substantial deformability of the PIEZO1-lipid bilayer system and an in-plane areal expansion of approximately 300 nm2 in the flattened structure. The curved structure of PIEZO1 resembles the structure determined from detergent micelles, but has numerous bound phospholipids. By contrast, the flattened structure exhibits membrane tension-induced flattening of the blade, bending of the beam and detaching and rotating of the cap, which could collectively lead to gating of the ion-conducting pathway. On the basis of the measured in-plane membrane area expansion and stiffness constant of PIEZO1 (ref. 11), we calculate a half maximal activation tension of about 1.9 pN nm-1, matching experimentally measured values. Thus, our studies provide a fundamental understanding of how the notable deformability and structural rearrangement of PIEZO1 achieve exquisite mechanosensitivity and unique curvature-based gating in lipid membranes.
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