机械敏感性离子通道（mechanosensitive ion channels）或机械力敏感通道（MS channels），是一类由膜整合蛋白组成的门控离子通道，可将细胞外的牵张、压力、重力、渗透压变化、病原体入侵和细胞自身因细胞分裂和生长产生的机械力等信息转化为电化学信号传入细胞，并作出响应【1】。植物中目前有5类MS通道：MCA（Mid1-Complementing Activity）通道、MSL（MscSlike）通道、TPK（Two-Pore Domain Potassium）通道、OSCA（Reduced hyperosmolality-induced [Ca2+]i increase）通道和Piezo通道。尽管它们在植物响应机械应力方面起着非常重要的作用，但是其门控的精确机制仍不清楚。目前提出并被认同的只有两个基本机制：1）force-from-lipids mechanism，MS 通道充当机械传感器直接感知脂质产生的张力；2）force-from-filaments mechanism，细胞外基质和/或细胞骨架充当力的媒介调控MS通道的打开。在拟南芥中，MCA具有单次跨膜结构，并通过同源四聚体形成通道。MCA1和MCA2都参与了植物对重力的响应，植物还通过MCA1来感知土壤的硬度和低渗压【2】。MCA1和MCA2的全长分别是421和416个氨基酸；研究表明，其包括跨膜结构和EF手相序列的N端（173个氨基酸）在酵母细胞中可以完全介导Ca2+的吸收[3]。然而，MCA的激活机制仍有待详细研究。2021年10月19日，来自日本的研究团队在Nature Communications在线发表了题为“MCAs in Arabidopsis are Ca2+-permeable mechanosensitive channels inherently sensitive to membrane tension”的研究论文，首次证明植物MCA截短蛋白可以在体外脂质体膜中自组装并形成活性的 MS离子通道，并介导Ca2+的内流；同时，MCA通道对膜张力具有固有的敏感性。该研究首先利用添加了脂质体的小麦胚芽无细胞表达系统（liposome-supplemented wheat germ cell-free translation system）在体外合成和纯化了带6xHis标记的MCA1和MCA2截短蛋白（N端173个氨基酸），并证实了它们可以形成同源四聚体。那么，含合成MCA的脂质体是否可以介导Ca2+的渗透吸收呢？该研究通过监测Ca2+的荧光信号Fluo-4发现MCA1和MCA2脂质体，随着CaCl2浓度的提高，可以介导Ca2+内流。但是，由MCA1和MCA2的D21N突变蛋白形成的脂质体不能介导Ca2+内流（图 1）。![]()
该研究进一步检验了MCA2通道的活性。结果显示，当电位大于 +100 mV时，MCA2通道被激活而打开；并且打开概率随着电压的升高而增加。然而，由于实验的局限性，研究人员没有检测到MCA2通道被负电位（negative potential）激活。该研究进一步检测了MCA2通道的机械力敏感性。结果显示，MCA2通道在强压条件下打开的频率更高，尤其是在30至70 mmHg压力下。然而，MCA2通道只能被正电位而非负电位产生的负压激活。钆是 MS通道的阻遏剂，它可以通过改变脂质体膜的物理特性来影响MS通道的激活。该研究发现，钆可以阻遏压力介导的MCA2通道激活，但MCA2通道的电压激活不受影响。GsMT4是阳离子MS通道的阻遏剂；研究人员发现，GsMT4同样只能阻遏压力而非电压介导的MCA2通道激活。由于阻遏剂通过改变脂质体膜来影响MS通道活性；这些结果表明，MCA通道具有固有的膜张力敏感性，可以直接通过膜张力打开。综上所述，该研究首次报道并证明了用无细胞表达系统合成的 MCA2（1-173氨基酸）蛋白，可以在体外脂质体膜中自组装并形成活性 的MS离子通道；从而为更详细地了解植物 MS 通道的结构和调控特征提供了基础。参考文献：
[1] Basu, D. & Haswell, E. S. Plant mechanosensitive ion channels: an ocean of possibility. Curr. Opin. Plant Biol. 40, 43–48 (2017).
[2] Nakagawa, Y. et al. Arabidopsis plasma membrane protein crucial for Ca2+ influx and touch sensing in roots. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 3639–3644 (2007).
[3] Nakano, M., Iida, K., Nyunoya, H. & Iida, H. Determination of structural regions important for Ca2+ uptake activity in Arabidopsis MCA1 and MCA2 expressed in yeast. Plant Cell Physiol. 52, 1915–1930 (2011).
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26363-z