2021年諾貝爾生理學獎或醫學獎公佈，溫度與觸覺感知機制獲獎！
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今年諾獎的主的最新研究！
小夥伴們，大家好。2021年諾貝爾生理學或醫學獎被授予加州舊金山大學生理學及分子生物學的David Julius教授和美國Scripps研究所的Ardem Patapoutian教授，以表彰他們在感知溫度機制（TRP通道）及觸覺機制（PIEZO通道）人體感受器領域重大科學成就。
今天帶給大家的是一篇Ardem Patapoutian教授今年2月發表於Cell（IF=41。582）上的文獻解讀，題目是“A role of PIEZO1 in iron metabolism in mice and humans”。該論文將巨噬細胞機械轉導與鐵代謝聯絡起來，並確定了非洲裔美國人鐵水平升高的遺傳危險因素。
研究背景
鐵超載會導致器官損害，並引發關節炎、肝損害和心力衰竭。1%-5%的個體存在鐵水平升高；然而，存在鐵超載監測不足和診斷不足。影響鐵穩態的遺傳因素正在出現。遺傳性乾癟細胞增生症是一種罕見的與機械敏感的離子通道蛋白PIEZO1突變相關的疾病。
本研究中作者發現，在小鼠中，GOF PIEZO1等位基因的組成性或巨噬細胞表達破壞了鐵調節蛋白的水平，並導致鐵超載。PIEZO1是巨噬細胞吞噬活性和隨後紅細胞週轉的關鍵調節因子。還發現E756del是存在於三分之一的非洲人後裔中的輕度GOF PIEZO1等位基因，與血漿鐵的增加密切相關。該研究將巨噬細胞機制傳導與鐵代謝聯絡起來，並確定了非裔美國人鐵水平升高的遺傳危險因素。
文獻解讀
GOF Piezo1小鼠出現年齡性鐵過載
有研究在遺傳性乾癟紅細胞增多症中觀察到鐵過量的現象。在本研究中，作者首先檢測了攜帶GOF Piezo1小鼠是否也會出現年齡起作用的鐵超載。鐵超載的一個特徵是肝臟中存在過量的鐵。作者用普魯士藍對肝臟進行了組織學分析，以檢測鐵：
1。 雜合子GOF Piezo1衰老小鼠（1歲以上）肝細胞鐵染色，肝枯否細胞（巨噬細胞）中的鐵染色更高，野生型未見染色（圖1A）
2。 純合子GOF Piezo1小鼠鐵沉積較雜合子更為嚴重（圖1A）
接下來，作者使用酶法測定肝臟提取物中鐵的含量：
1。 發現老化野生型小鼠的肝臟鐵含量極低；老化的GOF Piezo1小鼠有升高的水平（圖1B）
2。 與組織學分析相一致的是，純合子肝臟的鐵含量明顯高於雜合子（圖1B）
3。 雜合子或純合子的成年成年GOF Piezo1小鼠（2-5月齡）與野生型對照相比並沒有顯示出肝臟鐵含量的增加（圖1B）
除肝臟鐵儲存過多外，鐵超載還與血清鐵水平升高有關。作者測定了衰老小鼠和年輕成年小鼠血清鐵的濃度：
1。 老化的GOF Piezo1小鼠血清鐵濃度明顯高於野生型對照組，純合子的影響比雜合子嚴重（圖1C）
2。 與肝臟鐵的積累相似，年輕的GOF Piezo1小鼠沒有出現血清鐵的升高（圖1C）
轉鐵蛋白飽和度是將血清鐵含量除以可用轉鐵蛋白的總鐵結合能力，反映轉鐵蛋白與血清鐵結合的程度，並與血清鐵水平有關：衰老的GOF Piezo1小鼠有顯著的轉鐵蛋白飽和值（圖1d）
血液中鐵蛋白的濃度反映了體內儲存的鐵的數量，再加上轉鐵蛋白的飽和度，作為鐵超載的臨時測試：只有老化的GOF Piezo1小鼠才顯著地提高了鐵蛋白水平（圖1E）
因此，作者從肝臟鐵積累、血清鐵水平、轉鐵蛋白飽和度和鐵蛋白濃度等綜合證據表明，GOF Piezo1小鼠完全再現了罕見的遺傳性乾癟紅細胞增多症患者所觀察到的年齡性鐵超載表型，此轉基因模型為進一步研究Piezo1對鐵代謝的貢獻提供了一個有用的工具。
巨噬細胞中GOF Piezo1的表達引起鐵過載
接下來作者試圖闡明GOF Piezo1表達導致鐵超載的細胞型別。血鐵水平受紅細胞、巨噬細胞和肝細胞相互作用的控制。Piezo1在小鼠肝細胞中不高表達，但在紅細胞和巨噬細胞中呈陽性表達；因此，作者檢測了這兩種細胞型別對GOF Piezo1的需求。最初懷疑GOF Piezo1小鼠體內觀察到的鐵超載表型是紅細胞脫水造成的。為了驗證這一點，分析了僅在紅細胞中表達GOF Piezo1的小鼠，卻發現老化雜合子紅細胞特異性的GOF Piezo1小鼠並沒有在肝臟中積累明顯的鐵沉積（圖2A），老化雜合子和純合子紅細胞特異性GOFPiezo1小鼠的肝臟鐵水平與野生型對照相似（圖2B）；血清鐵水平、轉鐵蛋白飽和度和鐵蛋白濃度在老化紅細胞特異性GOF Piezo1小鼠中都是正常的（圖2C-2E）。
肝臟和血清鐵的證據表明紅細胞脫水不太可能是遺傳性乾癟紅細胞增多症動物模型晚發鐵超載的主要原因。
作者使用LysM-Cre技術檢測小鼠巨噬細胞中GOF Piezo1的表達：
1。 觀察到衰老的巨噬細胞特異性的GOF Piezo1小鼠肝臟（包括肝細胞和Kupffer細胞）鐵沉積增加，純合子比雜合子更明顯（圖2A）
2。 定量分析表明，衰老巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠肝臟鐵含量與組成型GOF Piezo1小鼠的雜合子和純合子沒有區別（圖1B和2B）
3。 衰老的巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠血清鐵水平、轉鐵蛋白飽和度和鐵蛋白濃度均高於野生型對照組（圖2C-2E）
4。 重要的是，巨噬細胞特異性Piezo1小鼠的這些血清鐵測定結果與構成性表達GOF Piezo1的小鼠所觀察到的值相當（比較圖2C-2E和圖1C-1E）
作者還檢測過Piezo1過度活動的巨噬細胞是否透過紅細胞異常間接導致鐵紊亂：全血計數分析顯示巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠紅細胞數、紅細胞壓積（HCT）、平均紅細胞血紅蛋白濃度（MCHC）和體積（MCV）均正常。
因此，巨噬細胞中的GOF Piezo1不太可能引起紅細胞損傷，GOF Piezo1誘導的鐵超載是由於其在巨噬細胞中的作用，而不是在紅細胞中的作用。
GOF Piezo1小鼠的鐵調素水平降低
小肽激素庚類化合物是哺乳動物鐵代謝的關鍵調節因子。肝細胞分泌的鐵調素蛋白抑制鐵向血液中的釋放，並長期降低鐵調素水平，導致鐵超載。
1。 發現在衰老的巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠肝臟提取物中的鐵調素轉錄水平顯著降低（圖3A）
2。 使用酶聯免疫吸附法（圖3B）測定衰老巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠血清鐵調素蛋白濃度，明顯低於野生型小鼠
3。 年輕的巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠肝臟鐵調素轉錄水平和血清鐵調素蛋白濃度均有統計學意義的下降（圖3C和3D），儘管這一下降幅度小於在衰老小鼠中觀察到的水平
這些資料表明，衰老的GOF Piezo1小鼠發生鐵超載之前，年輕的成年小鼠（正常鐵水平）中的鐵調素水平下降，提示鐵調素通路的異常調控是遺傳性乾癟紅細胞增多症模型鐵超載的關鍵誘因之一。
GOF Piezo1小鼠的對鐵應激的反應受損
年齡性鐵超載可能是由於整個成年期持續的鐵代謝失調所致。為了驗證這種可能性，作者用急性鐵應激對年輕的成年小鼠進行了實驗。給成年小鼠腹腔注射右旋糖酐鐵，劑量為40μg/g。
1。 這種單劑量治療不足以改變青年野生型小鼠24小時後血清鐵含量、轉鐵蛋白飽和度或鐵蛋白濃度（圖4A-4C）
2。 相反，所有測試的血液引數在雜合子組成的GOF Piezo1小鼠單次注射後均升高（圖4A-4C）
3。 巨噬細胞特異性的GOF Piezo1小鼠在鐵脅迫下，血清鐵水平、轉鐵蛋白飽和度和鐵蛋白濃度明顯升高（圖4A-4C）
這說明巨噬細胞中GOF Piezo1活性過高不僅會引起衰老小鼠鐵超載，而且還會破壞年輕小鼠對鐵過量的急性反應。
接下來，我們檢測了鐵調素水平是否與觀察到的急性鐵調節失調有關：發現急性鐵脅迫能顯著提高成年野生型小鼠肝內鐵調素轉錄本水平和血清鐵調素蛋白濃度；然而，巨噬細胞特異性GOF Piezo1成年小鼠的鐵調素轉錄和蛋白水平沒有明顯增加（圖4D）。
因此，急性鐵應激實驗表明，巨噬細胞中GOF Piezo1活性過高的小鼠在成年期由於鐵調節功能的長期受損而導致鐵超載。
GOF Piezo1增強紅細胞生成、週轉和吞噬活性
巨噬細胞中過量的GOF Piezo1是如何影響鐵調素水平的？
鐵調素在紅細胞生成增加期間含量下調，以確保有足夠的鐵可用於新的血紅蛋白合成。作者假設巨噬細胞中的GOF Piezo1能增加紅細胞生成，從而抑制鐵調素的產生。巨噬細胞特異性的GOF Piezo1小鼠的網織紅細胞計數顯著增加（圖5A），這是紅細胞生成增強的指標。紅血球是從骨髓和脾臟中產生的一種激素，在促紅細胞生成素增強的過程中，它可以下調肝內肝細胞的表達。值得注意的是，與野生型小鼠幾乎無法檢測到的水平相比，成年巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠血清中的紅細胞鐵蛋白水平顯著升高（圖5B）。因此，Piezo1活性過高的巨噬細胞能促進紅細胞生成，增加紅細胞生成素的表達，從而降低鐵調素的表達。
高網織紅細胞但正常成熟紅細胞計數表明巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠紅細胞週轉率（即紅細胞吞噬功能增強）長期增加。
為了檢測紅細胞吞噬率，使用脈衝追蹤實驗測定了紅細胞的半衰期，使用流式細胞儀測定標記紅細胞的數量。在3周的時間裡，成年野生型小鼠的熒光紅細胞數量下降到初始水平的50%，巨噬細胞特異性的GOF Piezo1小鼠中標記的紅細胞的下降速度明顯快於野生型小鼠，並在3周結束時下降到幾乎無法檢測到的水平（圖5C）；發現來自巨噬細胞特異性GOF Piezo1小鼠的脾巨噬細胞（F4/80+）所含的胞內紅細胞（Ter119+）數量明顯高於野生型（圖5D和5E中的Q2），說明GOF Piezo1的巨噬細胞在體內具有較高的紅細胞吞噬活性；觀察到了總TER-119+細胞（圖5D中的Q2+Q3）的增加，因為脾臟是小鼠應激性紅細胞生成的重要部位，而TER-119也被標記為紅血球祖細胞。
作者直接檢測GOF Piezo1活性過高的巨噬細胞是否增強了吞噬活性。從野生型和巨噬細胞特異性的GOF Piezo1小鼠中培養出骨髓來源的巨噬細胞，並將其與熒光酵母多糖顆粒共同孵育，從而引發吞噬，並被巨噬細胞吞噬：發現GOF Piezo1巨噬細胞的熒光強度明顯高於野生型巨噬細胞（圖5F），提示 Piezo1活性過高增強了一般吞噬過程。
為了檢測過度活動的 Piezo1是否能特異性地增加紅細胞的吞噬功能（血細胞吞噬），用定量的方法測定了受精卵化後的紅細胞吞噬活：觀察到GOF Piezo1可顯著增加巨噬細胞吞噬紅細胞抗原（圖5G）；巨噬細胞中Piezo1活性過高會增加噬細胞功能（圖5D和5E）。
鈣訊號在吞噬過程中起重要作用。透過鈣離子可以啟用Piezo1，作者推測GOF Piezo1比野生型更能誘導巨噬細胞內鈣內流。Rac1可被鈣啟用，並可以透過調節細胞骨架組織對吞噬細胞至關重要。作者用定量方法測定巨噬細胞吞噬過程中活化的Rac1：觀察到當與照射後的紅細胞共同培養時，GOF Piezo1巨噬細胞的活性Rac1水平顯著升高（圖5H）；在吞噬增強前，GOF Piezo1巨噬細胞中Rac1的啟用增加（圖5G和5H）。這些提示Rac 1活性的增加可能導致巨噬細胞吞噬功能的增加。在吞噬過程中，GOF Piezo1巨噬細胞中活性Rac1水平也有類似的升高（圖5I）。因此，研究提供了巨噬細胞過度機械轉導透過鈣和Rac1啟用影響吞噬功能的潛在機制。
GOF Piezo1影響巨噬細胞的鐵脅迫和吞噬功能
在巨噬細胞中過度活躍的GOF Piezo1可引起巨噬細胞吞噬功能的增加，並降低對急性鐵脅迫的反應。然而，這些資料並不直接涉及內源性GOF Piezo1是否參與這些程序。為了評估GOF Piezo1在鐵穩態中的體內需求，作者分析了巨噬細胞特異性功能喪失（LOF）Piezo1小鼠。
1。 發現巨噬細胞的大部分機械啟用電流依賴於 Piezo1，提示 Piezo1是這些細胞的主要機械感測器
2。 評估了這些小鼠對短期鐵脅迫的生理反應。將右旋糖酐鐵注射到成年小鼠體內，每天劑量為80μg/g，連續5天，有效地提高了野生型小鼠血清鐵水平、轉鐵蛋白飽和度和鐵蛋白濃度（圖6A-6C）。
3。 巨噬細胞特異性的LOF Piezo1小鼠血清鐵測定正常，與供藥對照無明顯差異（圖6A-6C）。
這表明Piezo1是巨噬細胞對短期鐵脅迫的生理反應所必需的。
接下來，作者檢測了巨噬細胞特異性LOF Piezo1小鼠鐵調素的表達：鐵脅迫後成年巨噬細胞特異性LOF Piezo1小鼠肝臟和血清蛋白水平明顯高於野生型小鼠。結合GOF Piezo1小鼠的研究結果，LOF Piezo1的資料表明這種機械啟用的通道透過巨噬細胞依賴的機制控制鐵調素的水平，從而調節鐵的穩態；對GOF Piezo1小鼠的檢測表明，該通道參與了巨噬細胞對紅細胞的再迴圈和吞噬作用。
為了測試這些過程是否需要 Piezo1，作者在體內對巨噬細胞特異性的LOF Piezo1小鼠進行了紅細胞轉換實驗：發現巨噬細胞特異性的LOF Piezo1小鼠的紅細胞明顯低於野生型小鼠（圖6D），而GOF Piezo1小鼠的情況正好相反。
最後，作者檢測了 Piezo1對培養的BMDM巨噬細胞吞噬功能的需求：觀察到，與野生型巨噬細胞相比，LOF Piezo1巨噬細胞內化的酵母多糖熒光明顯減少（圖6E和6F），表明 Piezo1是有效吞噬的必要條件。
在噬血細胞試驗中檢測到LOF Piezo1巨噬細胞內紅細胞抗原的減少（圖6G），提示Piezo1是紅細胞有效吞噬的必要條件；LOF Piezo1巨噬細胞中活性Rac1水平顯著降低（圖6H），表明Piezo1透過Rac1啟用調節噬細胞功能。
這些LOF Piezo1資料表明，Piezo1是巨噬細胞吞噬功能和紅細胞迴圈的重要調節因子。
E756del GOF Piezo1與非洲裔美國人的高血清鐵相關
作者之前的研究發現了在不同地理位置的非洲人後裔中有一個常見的輕度GOF Piezo1等位基因——E756del。估計有三分之一的西非裔人攜帶有 Piezo1的E756del突變。由於極強但罕見的GOF Piezo1突變導致歐洲血統遺傳性乾癟紅細胞增多症患者血清鐵水平高，並導致鐵超載。
1。 發現40歲以下的E756del雜合子攜帶者與同齡非攜帶者相比，轉鐵蛋白飽和度和鐵蛋白濃度沒有顯著差異；40歲以上的E756 del雜合子個體的轉鐵蛋白飽和度和鐵蛋白濃度與同齡非攜帶者相比有統計學意義（圖7A）
2。 在雜合子E756del載體中，年齡與轉鐵蛋白飽和度/鐵蛋白濃度呈明顯正相關，而在非攜帶者中則無相關性，所有純合子的血清鐵引數都相對較高，且呈年齡依賴性（圖7B）。
在轉基因小鼠模型中，發現鐵調素下調是GOF Piezo1與鐵超載之間的存在一種機制聯絡。在人類佇列中，發現在40歲以上的E756del攜帶者中，與同年齡組的非攜帶者相比，血清鐵調素蛋白濃度顯著降低。
1。 在人類佇列中只有三分之一的人攜帶E756del，但大多數轉鐵蛋白飽和度或鐵蛋白濃度較高的人攜帶有GOF Piezo1的E756del突變（圖7C）
2。 80%（16/20）的高轉鐵蛋白飽和度個體和82%（49/60）血清鐵蛋白高水平的個體是E756del攜帶者；所有測量值都很高的個體（10/10）都是E756del攜帶者（圖7D）。
總結
該研究將巨噬細胞的機械傳導與鐵代謝聯絡起來，發現機械敏感的離子通道蛋白Piezo1的突變可造成血液中鐵的過量。更重要的是，由一種嚴重但稀少的Piezo1突變出發，研究者透過小鼠模型和人群基因型的調查，發現E756del Piezo1在非洲血統人群中的高頻率與普遍的鐵含量升高現象相關，具有重要的臨床意義。
作為2021年諾貝爾生理與醫學獎獲獎的研究發現——機械敏感的離子通道Piezo1蛋白，本研究論文提供了詳盡的證據表明
Piezo1具有調控鐵代謝的重要功能
。將鐵代謝研究熱點與Piezo1蛋白熱點相結合，很值得各位小夥們好好了解一下。開拓出研究的新方向！
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撰文丨沫郢天
排版丨豨薟
2021年諾貝爾生理學獎或醫學獎公佈，溫度與觸覺感知機制獲獎！
6年發36篇SCI，拿獎拿到手軟，厲害了！
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