Observation directe des états conformationnels de PIEZO1

Nature volume 620, pages 1117-1125 (2023)Citer cet article

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Les PIEZO sont des canaux ioniques mécanosensibles qui convertissent la force en signaux chimioélectriques1,2 et jouent un rôle essentiel dans divers contextes physiologiques3. Des études in vitro ont proposé que les canaux PIEZO transduisent la force mécanique par la déformation de vastes lames de domaines transmembranaires émanant d'un pore central conducteur d'ions4,5,6,7,8. Cependant, on sait peu de choses sur la manière dont ces canaux interagissent avec leur environnement d’origine et sur les mouvements moléculaires qui sont à l’origine de leur activation. Ici, nous observons directement la dynamique conformationnelle des lames de molécules PIEZO1 individuelles dans une cellule à l’aide de l’imagerie par fluorescence nanoscopique. Par rapport aux modèles structurels précédents de PIEZO1, nous montrons que les pales sont considérablement dilatées au repos par la contrainte de flexion exercée par la membrane plasmique. Le degré d'expansion varie considérablement sur la longueur de la lame, où une diminution de la force de liaison entre les sous-domaines peut expliquer une flexibilité accrue de la lame distale. En utilisant des modulateurs chimiques et mécaniques de PIEZO1, nous montrons que l'expansion des pales et l'activation des canaux sont corrélées. Nos découvertes commencent à découvrir comment PIEZO1 est activé dans un environnement natif. Plus généralement, à mesure que nous détectons de manière fiable des changements de conformation de quelques nanomètres à partir de populations de canaux, nous espérons que cette approche servira de cadre pour l'analyse structurale des protéines membranaires par imagerie nanoscopique.

La capacité de détecter et de transduire les informations mécaniques provenant de l’environnement est essentielle à une grande variété de processus physiologiques dans tous les domaines de la vie9. Les canaux de mécanotransduction exploitent le travail mécanique pour ouvrir directement un pore conducteur d'ions en réponse à des perturbations de la membrane cellulaire, déclenchant ainsi la signalisation cellulaire10. Les PIEZO sont une famille de canaux de mécanotransduction trouvés chez Eukarya1,2 et interviennent dans un vaste éventail de processus physiologiques chez les mammifères, notamment la sensation tactile11, le contrôle de la pression artérielle12, le développement vasculaire13,14, les démangeaisons mécaniques15 et l'état d'hydratation des érythrocytes16.

Les PIEZO sont de grandes protéines membranaires homotrimériques structurellement disposées en triskelion 4,5,7 (Fig. 1a). Chaque protomère entre en contact avec les domaines centraux des pores et du capuchon près de l'extrémité C et projette une lame de 36 domaines transmembranaires qui s'étend à la fois vers l'extérieur et vers le haut vers l'extrémité N. Bien que seules des structures partielles de cryo-microscopie électronique (cryo-EM) de PIEZO1 dépourvues d'environ un tiers des lames distales soient disponibles, l'homologue structurel PIEZO2 a été résolu avec l'ensemble des domaines transmembranaires . Dans les modèles structurels et les prévisions, les pales forment une forme de bol d'environ 24 nm de diamètre et 9 nm de profondeur, avec une surface totale projetée d'environ 450 nm2. Les lames se connectent directement au pore via un faisceau intracellulaire, ce qui suggère qu’elles sont à la fois des leviers ouvrant directement le canal et des capteurs primaires de force mécanique6.

a, modèles structurels de PIEZO1, vus de manière extracellulaire. La structure cryo-EM la plus complète de PIEZO1 avec la partie distale manquante d'environ un tiers de la lame mise en évidence (à gauche) et la prédiction de la structure AlphaFold II de PIEZO1 (à droite) sont présentées. Le domaine extracellulaire C-terminal (CED) est supprimé du modèle AlphaFold II en raison d'une mauvaise prédiction. Les balises TCO*K en position 103 sont affichées sous forme d'étoiles magenta. Chaque protomère est coloré séparément. b, Segmentation des particules candidates PIEZO1 à partir des localisations iPALM. Une image représentative de contraste d'interférence différentielle × 100 (à partir de n = 5 cellules) d'une cellule HEK293 exprimant TCO*K 103 PIEZO1 marquée avec de la tétrazine-Alexa Fluor 647 (AF647) (en haut à gauche ; barre d'échelle, 10 µm). Un rendu de 3 nm par pixel des localisations de la membrane plasmique à partir de l'encart magenta en haut à gauche (barre d'échelle, 3 µm) (en haut au milieu). Localisations binaires AF647 (points magenta) avec des molécules candidates PIEZO1 répondant aux exigences du voisin le plus proche mises en évidence par des cases cyan (barre d'échelle, 3 µm) (en haut à droite). Des rendus représentatifs de 3 nm par pixel de molécules PIEZO1 triplement marquées candidates qui répondent aux exigences minimales de séparation d'interlocalisation sont également présentés (barres d'échelle, 30 nm) (en bas). c, superparticule fusionnée de localisations trimériques PIEZO1 identifiées avec une promotion de symétrie triple, vue de haut en bas (n = 5 cellules imagées, n = 726 molécules et n = 8 500 localisations). Les localisations ont été visualisées avec une taille et une couleur proportionnelles à la densité locale (voir Méthodes). d, Super-particule seuillée pour une densité locale supérieure à 0,5 × 10−5, le minimum englobant les localisations dans une sphère de 60 nm (à gauche). Localisations associées à chaque lame isolée avec k-means clustering avec k = 3 clusters (à droite). e, diagramme de dispersion des distances moyennes inter-lames par localisation entre chaque localisation au sein d'un groupe de lames à partir de la super-particule de la partie c et toutes les localisations dans un groupe de lames voisin, coloré par densité locale. À la position 103, la distance interlame la plus probable est de 25,4 ± 5,9 nm (moyenne ± écart-type), contre 19,2 nm calculé à partir du modèle AlphaFold II.