果蝇机械力信号转导中“力感受器”的结构和力学基础及关键分子NompC的作用

The sense of mechanical stimuli (e.g. force or deformation) in the environment underlies several important physiological processes, for example the perception of touch, sound, acceleration and flow. The process that converts the environmental mechanical stimuli into intracellular signals is termed as mechanotransduction. In the past 30 years, despite intensive efforts made in various model organisms, the cell biological mechanisms of mechanotransduction still remain elusive. In our previous work, we identified the mechanoreceptive organelle in fly mechanosensory cells and found that the NompC-microtubule complex is the core of this organelle. Based on these findings, we hypothesized a “linkage model” to account for the mechanism of fly mechanotransduction. In the present proposal, we will further dissect the molecular, structural and mechanical basis of the mechanoreceptive organelle and test the “linkage model”. First, we will reconstruct the three-dimensional structure of the mechanoreceptive organelle using electron tomography (ET) technique. Based on the ET results, we will measure the geometry of all structural elements in the organelle and build the wild-type structure model. Second, we will study the structures of the mechanoreceptive organelles in various NompC mutants to understand the structural roles of NompC and its ankyrin-repeats domain. Third, we will measure the mechanical properties of the organelle using the MEMS-based force measurement technique. In combination with the structural studies, we would be able to build the mechanics-structure model of the organelle. Fourth, we will perform the mechanical measurements on the organelle of the NompC mutants to understand the mechanical roles of NompC. In summary, we aim to understand the molecular, structural and mechanical basis of the mechanoreceptive organelle in fly mechanotransduction and the contributions of a key molecule, NompC. This study will establish a solid basis for understanding the principle of mechanotransduction, as well as the relevance of mechanotransduction in clinical diseases.

细胞对于环境中机械力信号的感受是许多重要生理过程的生物学基础，其关键过程是将机械力刺激转化为细胞内电或者化学信号，即机械力信号转导。在过去的三十年中，人们利用多种模式生物对这一过程进行了系统的研究，但是在细胞生物学水平上了解其结构和功能基础的工作仍需要进一步深入。在前期工作中，我们以果蝇力敏感细胞为模型发现了负责力信号转导的特化细胞器（“力感受器” ），证明了它的核心是由力敏感通道NompC和微管骨架组成的复合物，并提出了“链式模型”来描述力信号转导的机制。本项目将应用电子断层成像技术和力信号记录等新技术并结合分子细胞生物学手段对力感受器的结构和功能开展深入研究并进一步检验和完善“链式模型”。本项目的目标是建立力感受器的结构力学模型，系统地了解力感受器在机械力信号转导过程中的运作机制及其关键分子NompC的作用，这一研究将为理解机械力信号转导的原理打下坚实的细胞生物学基础。

机械力信号转导是机械力感受神经元将胞外机械力转换为胞内信号（例如膜电位变化）的过程，该“力-电”信号转换过程通常在高度特化的细胞器，即“力感受器”内实现。因此，解析力感受器的分子组成，超微结构及力学基础是理解机械力信号转导过程的关键。例如，果蝇机械力感受神经元中直接的力信号转导过程发生于位于树突顶端的高度特化的“力感受器”结构中。以这一系统作为模型，本项目探究了机械力信号转导过程的分子基础。.本项目首先利用基于电子断层成像的三维重建技术，解析了力感受器的整体三维结构。通过野生型和突变体的一系列研究，我们证明了NompC力敏感离子通道在细胞膜上形成了有序的二维阵列，这一阵列虽然仅仅具有几百纳米的尺度，却在空间分布上形成了有规律的梯度变化。力学实验表明力感受器中的NompC受到预应力的作用，这种预应力与空间分布的梯度叠加后使得阵列中NompC离子通道在静息条件下处于不同的力学状态。力学模型理论分析表明这样的结构和力学设计能够在提高敏感性的同时拓展其信号响应中的动态范围，从而从整体上实现对力感受器功能的优化。该项工作相关的论文于2019年发表于PNAS，同时受到Faculty1000平台的评论和推荐。本项目也应用微力测量装置对果蝇毛受体的宏观力学性质进行了测量，结合微观结构分析中得到的力感受复合物的密度和空间分布，我们对在体条件下单个“NompC-微管”复合物的力学性质进行了测量，从而为了解NompC在力信号转导过程中的力学作用提供了直接的实验证据。相关的研究论文正在投稿过程中。.本项目的开展首先建立了在体研究力感受细胞结构的新方法，同时引入了力学建模的方法，从而为进一步解析相关的结构力学基础铺平了道路。同时，本项目提出了力信号转导的新机制，为深入探索相关细胞生物学过程的分子基础和力学原理打下了基础。