机械敏感性离子通道Brv1和NOMPC的相互作用参与果蝇轻触觉感知的机制研究

Touch sensation is the ability to sense and respond to mechanical stimuli, and is essential for fundamental behaviors including harm avoidance, environmental exploration, postures, movements, social exchange, emotion and intelligence. However, the underlying mechanism and molecular identity for touch sensation are largely unknown. Our previous studies found that Brv1 in Drosophila larvae class III dendritic arborization neurons could not only act as a mechanosensitive ion channel to directly mediate the gentle touch sensation, but also could amplify the mechanical response of NOMPC, which is another mechanosensitive ion channel in class III dendritic arborization neurons involved in gentle touch sensation. However, how Brv1-NOMPC interaction is required for responding to gentle touch, and how Brv1 and NOMPC work together to mediate touch sensation, is not clear. Based on the previous findings, in this project we will use FRET, BiFC, Co-IP, Pull-down, mass spectrum approaches, combing the Ca2+ imaging, electrophysiological recording, behavioral assay and techniques of interaction prediction, molecular dynamics simulation and site-directed mutagenesis, to determine the Brv1-NOMPC interaction in cell and animal level. The purpose of this study is to demonstrate the mechanism of the Brv1-NOMPC interaction in Drosophila larvae gentle touch sensation, and it provides insight into the molecular mechanisms of touch sensation of human and mammalian.

触觉是一种重要感觉，涉及环境感知、躲避伤害、运动、社交以及情感和智力等重要生命活动。然而触觉感知的分子机制还有很多未知之处。我们的前期研究发现果蝇III型da感觉神经元上的Brv1蛋白不仅可以作为机械敏感性离子通道直接参与果蝇轻触觉感知，还可以间接放大另外一个参与轻触觉感知的机械敏感性离子通道NOMPC对触觉刺激的响应。但是Brv1和NOMPC如何在III型da感觉神经元上相互作用，两者如何协调参与果蝇触觉感知的具体机制还不清楚。在前期研究的基础上，本项目通过FRET、BiFC、Co-IP、Pull-down、质谱等手段，结合钙成像、电生理记录、动物行为学技术，以及相互作用位点预测、蛋白质分子动力模拟、定点突变分析等方法，从细胞和活体动物水平明确Brv1-NOMPC的相互作用，阐明两者的相互作用在果蝇轻触觉感知中的分子机制，为进一步揭示人和哺乳动物的触觉机制以及临床干预提供依据。

机械敏感性离子通道是一类重要新型离子通道，参与触觉、听觉等感觉感知，以及神经、血管、发育、代谢等重要生理功能。有别于传统的电压门控、配体门控等离子通道，机械敏感性离子通道可以对触碰、压力、牵张等多种形式的机械刺激做出响应。然而由于机械力性质的特殊性，作用形式的多样性，以及研究方法和手段的局限，迄今对于机械力响应的分子细胞和神经机制等很多方面还缺乏了解。触觉是典型的机械响应生理过程，机械敏感性离子通道已经证明是触觉感知的分子基础。机械敏感性离子通道Brv1对于果蝇的触觉感知具有重要作用，对于Brv1通道门控机制的研究，不仅有助于理解机械感知的响应原理，也可以为其他机械敏感性离子通道的研究提供了借鉴和思路。本项目研究通过同源建模、分子模拟、基于结构的关键区域和关键位点及其相互作用预测， 结合大范围突变筛选、共聚焦成像、蛋白质相互作用、膜片钳电生理记录等方法对Brv1通道的门控机制进行了研究，在其孔道区域、电压敏感区域、多囊区域等重要区域鉴定了关键位点，并阐述了这些关键位点参与门门控调节的作用方式和分子机制。我们进一步研究发现Brv1和机械敏感性离子通道NOMPC在空间位置的靠近及其可能的相互作用，Brv1的关键功能位点导致通道蛋白构象的变化可能是参与相互作用的分子机制之一。研究结果表明Brv1在触觉感知中具有双重作用：一是作为牵张激活的机械敏感性阳离子通道直接参与触觉感知；二是作为NOMPC感知触觉信号的放大器，提高感觉神经元在触觉感知中的神经兴奋性。这使得Brv1在触觉感知中具有功能的独特性，对于我们理解机械敏感性离子通道的门控机制，以及不同机械敏感性离子通道通过相互作用的形式参与触觉信息的调控和传递的分子机制非常重要。