闫致强团队揭示人类TMC1和TMC2为机械力门控离子通道
以下文章来源于首都医学科学创新中心 ，作者CIMR
2024年12月13日，闫致强教授团队在国际知名学术期刊Neuron上发表了题为“Human TMC1 and TMC2 are Mechanically Gated Ion Channels”的突破性研究成果。该项研究成功突破了哺乳动物TMC1和TMC2 (TMC1/2)蛋白在细胞系内异源表达无法定位在细胞膜上的难题，证明了人类TMC1/2是机械力门控离子通道，提供了其在毛细胞上作为听觉受体的决定性证据，揭开了感觉神经生物学领域内长期悬而未决的谜团。
听觉作为人类日常交流的基本感觉，依赖于内耳中复杂的生物过程。柯蒂氏器内超过16,000个毛细胞是人类感知声音的起点，这些毛细胞的静纤毛束排列成行，高度逐渐降低，此静纤毛顶端的机械力门控离子通道（听觉受体）被认为是机械力声音信号转换为电信号的关键所在[1]。TMC1/2基因在人类家系中发现，其缺失会导致耳聋；在小鼠中TMC1/2失活会导致毛细胞机械力敏感性丧失[2]，因此TMC1/2蛋白被认为是毛细胞中机械力转导通道的有力候选者。闫致强团队一直致力于验证TMC1/2是否为机械力门控通道这个在该领域内最关键的问题。由于TMC1/2在异源的细胞系中表达时，无法定位在细胞膜上，在2020年，闫致强团队将来自绿海龟TMC1和虎皮鹦鹉TMC2的纯化蛋白重组到脂质体中，证明了脊椎动物的TMC1/2是机械力门控离子通道，为TMC1/2是听觉受体提供了关键证据[3]。然而，由于在细胞系中异源表达的哺乳动物TMC1/2无法定位到细胞膜而缺乏机械力门控的证据，因此这一理论一直存在争议。
为了探索在异源系统中表达的哺乳动物TMC1/2被机械力门控的确切证据，闫致强团队突破技术瓶颈，通过OSCA1.1与TMC1/2假定孔道区域的替换和进一步的TMC1/2点突变的筛选，成功鉴定了可以在HEK293T细胞系中异源表达在细胞膜，并对机械力敏感的鼠源TMC1/2点突变体。更为重要的是，团队创新性的采用全基因组CRISPRi筛选方法，成功筛选出三个基因：UROD、ARL1和RGP1，这三个基因敲降后，人类野生型TMC1/2在异源的HEK293T表达时，可以定位到细胞膜。在进一步的实验中，人类野生型TMC1/2表现出明显的位移和负压激活的电流，并显示出明显压力激活的单通道电流活动。值得注意的是，与耳聋相关的TMC1突变改变了其机械力敏感电流的反转电位，提供了TMC1/2作为机械力门控离子通道成孔亚单位的有力证据，进一步证实了它们在毛细胞中作为机械力转导通道的作用。
众多耳聋相关的基因在体内敲除或突变时会导致毛细胞机械力敏感电流的丧失，但这只是一个分子作为听觉受体的必要条件，不足以证明它们是听觉受体。作为转导机械力的分子，机械力敏感性是听觉受体最关键的特征，因此，证明人类TMC1/2是机械力门控离子通道对说明其是听觉受体至关重要，一旦证明，人类TMC1/2作为听觉受体的充分和必要条件均可以满足，从而可以证明TMC1/2是哺乳动物的听觉受体。本项研究的重大意义在于，它首次打破了领域内长期存在的，哺乳动物TMC1/2蛋白在细胞系里异源表达不上细胞膜的技术壁垒，提供了人类TMC1/2作为机械力门控通道的决定性证据，解开了感觉神经生物学中一个长期存在的科学难题。此外，这项工作不仅为研究人类TMC1/2蛋白如何被机械力门控以及其如何与其它听觉受体复合物共同工作提供了坚实的基础，而且为进一步探索TMC1/2在听觉和平衡系统之外的多种生理过程中的作用提供了重要的线索和启示。这些发现将极大地推动我们对人类TMC1/2在生物体中功能的理解，并可能为相关疾病的治疗提供新的策略。
此项工作主要在深圳湾实验室完成。本论文通讯作者闫致强现在是首都医科大学基础医学院院长、首都医学科学创新中心医学生理学研究所所长。深圳湾实验室-香港科技大学联培博士研究生付嵩迪、首都医科大学与深圳湾实验室联培博士生潘学琪和深圳湾实验室博士后路明顺（现首都医科大学博士后）为共同第一作者，首都医科大学与深圳湾实验室联培博士生董鉴颖参与了该项研究的部分工作。本研究得到了科技部科技创新2030重大项目、深圳市优秀科技创新人才培养项目、深圳市医学研究专项、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金的资助和支持。
参考文献
1. Gillespie, P.G., and Müller, U. (2009). Mechanotransduction by hair cells: models, molecules, and mechanisms.Cell139, 33-44.
2. Kawashima, Y., Géléoc, G.S., Kurima, K., Labay, V., Lelli, A., Asai, Y., Makishima, T., Wu, D.K., Della Santina, C.C., Holt, J.R., and Griffith, A.J. (2011). Mechanotransduction in mouse inner ear hair cells requires transmembrane channel–like genes.J. Clin. Invest.121, 4796-4809.
3. Jia, Y., Zhao, Y., Kusakizako, T., Wang, Y., Pan, C., Zhang, Y., Nureki, O., Hattori, M., and Yan, Z. (2020). TMC1 and TMC2 proteins are pore-forming subunits of mechanosensitive ion channels.Neuron 105, 310-321.
原文链接：
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00834-1
课题组长介绍:
闫致强，获得复旦大学学士学位、中科院神经科学研究所以及北京生命科学研究所、中科院生物物理研究所博士学位，在加州大学旧金山分校及霍华德·休斯医学研究所完成博士后研究。历任复旦大学生命科学学院教授，深圳湾实验室分子生理学研究所副所长、资深研究员；现任首都医科大学基础医学院教授、院长，首都医学科学创新中心资深研究员、医学生理学研究所所长。
实验室长期从事感觉神经生物学的研究，综合运用分子生物学、蛋白相互作用和结构分析、电生理记录、神经回路的光遗传、化学遗传和成像等技术手段，结合药物筛选和基因编辑小鼠模型，进行听觉、触觉、渴觉等感觉受体的鉴定和工作机制研究，感觉系统神经回路，以及感觉系统疾病的机理和治疗，并探索这些感觉受体在其他重要生理功能中的作用。
课题组长期招聘博士后、博士生、副研究员、助理研究员、研究助理、技术员岗位，欢迎投递简历到邮箱zqyan@szbl.ac.cn并抄送fanghy@szbl.ac.cn，邮件主题备注：申请闫致强课题组xx岗位。
撰稿 | 闫致强课题组
编辑 | 袁方聪
审核 | 方徽雁