PIEZO1 基因突变让黑人跑得更快?

2022
06/21

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癌图腾
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在未来,靶向这种蛋白质有望治疗肌腱损伤或对抗与年龄相关的运动能力衰退。

撰文 | 甲遇庚

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在世界顶级田径比赛中,获得好成绩的多为黑人,在短跑这种极具爆发力的项目中,更是几乎清一色黑人运动员,例如我们熟知的“黑色闪电”牙买加飞人博尔特。他们的成绩自然离不开自身的不懈努力,但同样也少不了遗传赋予的先天优势。

2022年6月1日,美国 Scripps 研究所 Hiroshi Asahara 教授团队与2021年诺贝尔生理学或医学奖得主 Ardem Patapoutian 教授团队合作,在 Science 子刊 Science Translational Medicine 上发表了题为:The mechanosensitive ion channel PIEZO1 is expressed in tendons and regulates physical performance 的研究论文。

肌腱是人体重要的纤维结缔组织,在肌肉和骨骼之间传递力量,并在运动表现中发挥至关重要的作用。该团队首先通过小鼠研究发现,肌腱中机械敏感离子通道 PIEZO1 的功能获得性突变能使动物跳得更高,跑得更快;而这种突变在非洲裔人群中很常见,在牙买加短跑运动员中的初步检测数据显示,人类中的类似突变可能与更好的运动表现有关。

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PIEZO 蛋白质家族是哺乳动物中介导阳离子内流的机械门控离子通道。作为机械力受体,PIEZO 可以通过感受细胞膜机械力的变化,将机械信号转化为电信号或化学信号。2010年,Ardem Patapoutian 教授首次发现了这一现象,并因此获得了2021年诺贝尔生理学或医学奖。

PIEZO 家族在包括人类在内的哺乳动物自身触觉、痛觉、本体觉等多种机械力感知信号传导过程中发挥着重要作用。该蛋白质家族有两个成员,一个是 PIEZO2;另一个就是我们刚才提到的 PIEZO1 。

PIEZO1 是一种机械激活的离子通道,参与各种器官和组织(包括骨骼和软骨)的机械感应。在 Ardem Patapoutian 教授发现 PIEZO1 后的几年里,该蛋白质已被陆续证明在血管、心脏、骨骼和免疫细胞的发育中发挥作用。

而在去年,Ardem Patapoutian 教授团队发表在 Cell 的一项研究表明,PIEZO1 的一种功能获得性基因突变 E756del (即 PIEZO1 蛋白的第756位谷氨酸缺失),在非洲裔人群中很常见(占比约三分之一),携带这一突变的人的红细胞出现了形态学变化,对疟疾具有较强的抵抗力,但同时也可能导致个体的血铁水平偏高(铁过载)。

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而发表在 Science Translational Medicine 上的这项新研究发现,PIEZO1 还在肌腱的性能中发挥着关键作用。

为了阐明 PIEZO1 功能获得性基因突变如何影响肌腱,研究团队创建了三组 R2482H PIEZO 基因敲入小鼠模型(类似人类的 E756del PIEZO1 基因突变 ):一组为全身型R2482H PIEZO1 小鼠,一组为肌肉特异性 R2482H PIEZO1 小鼠,最后一组为肌腱特异性 R2482H PIEZO1 小鼠;以及一组野生型小鼠作为对照组。

首先,研究人员测试了小鼠的跳跃能力奔跑速度

他们发现,在所有小鼠中,肌腱特异性 R2482H PIEZO1 小鼠的跳跃高度大约是其他小鼠的1.5倍。在奔跑测试中,所有小鼠的耐力没有表现出差异,但肌腱特异性 R2482H PIEZO1 小鼠奔跑速度最快。

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上述结果表明,这种 PIEZO1 功能获得性基因突变正在以一种真正影响体能的方式增强肌腱组织性能。

随后,研究人员对在胚胎发育期间具有正常 PIEZO1 但在出生后产生突变的小鼠中重复了上述实验时,他们观察到了相同的结果。这表明突变的影响不仅在于肌腱的初始发育期。

研究人员还发现,在两种主要的肌腱特异性转录因子 Mkx 和 Scx 高表达的细胞中,PIEZO1 的表达也相对较高;而在生肌转录因子 Myod1 高表达的细胞中,PIEZO1 的表达则相对较低。这表明该基因对肌肉功能不太重要。他们还证实了 PIEZO1 是肌腱细胞中的机械敏感离子通道

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为了确定 R2482H PIEZO1 介导的肌腱细胞瞬时功率(爆发力)增强所涉及的生理机制,研究人员对肌腱特异性 PIEZO1 小鼠和野生型小鼠进行了详细的形态学检查。

他们发现,这些动物的肌肉或神经没有差异,但 R2482H PIEZO1 的小鼠肌腱比野生型小鼠宽出约 1.2 倍,而且组成每条肌腱的纤维更宽。进一步的分析显示,这些小鼠的肌腱也更为柔顺,并且可以比其他小鼠的肌腱多储存三倍的能量。

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这解释了为什么它们在跳跃和跑步能力中的突出表现,并表明 R2482H PIEZO1 是通过增强肌腱组织形成并促进肌腱增大来发挥作用。

Ardem Patapoutian 教授表示,在小鼠中发现了 PIEZO1 在肌腱中的这一新作用,强调了这组离子通道是多么的重要。随着不断的深入了解,还发现了 PIEZO 在健康和疾病中更多的潜在新作用。该蛋白有望成为治疗与年龄相关体能下降的新靶点

为了探索在小鼠中的发现如何转化为人类,研究团队与收集精英运动员遗传信息的 Athlome 联盟进行了合作。

他们发现,在91名牙买加短跑运动员中,46%的人是 E756del PIEZO1 基因杂合子,8%是纯合子;在没有参加过田径比赛的108名对照组牙买加学生中,31%是杂合子,2%是纯合子。这些数据为使用小鼠模型获得的数据提供了初步支持,表明 E756del PIEZO1 可以自然增强运动能力。

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Hiroshi Asahara 教授表示,这些数据表明,在小鼠中观察到的情况可能也适用于人类,接下来还需要更多的工作来了解 PIEZO1 在人类肌腱中的全部作用。

研究团队表示,在未来,靶向这种蛋白质有望治疗肌腱损伤或对抗与年龄相关的运动能力衰退。

论文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abj5557

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.024

来源: 生物世界 2022-06-11

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关键词:
PIEZO,肌腱,小鼠,发现,研究

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