Neuron | Ulrich Müller/康利军等合作揭示TMC通道功能多样性潜在机制

引言

机械力电转导（Mechanoelectrical transduction,MET）是将机械刺激转换成电化学信号，这一过程对于触觉、听觉、本体感觉及血压调控等众多生理过程十分重要。在听毛细胞中的MET通道能够将声波产生的机械振动信号转化成电信号，这是感知声音的关键换能步骤。近年来的研究表明，听觉系统中的MET通道是由多个蛋白组成的复合物，包括孔道亚基蛋白TMC1/2、跨膜蛋白TMIE和LHFPL5、顶端链接蛋白PCDH15和CDH23、和胞内蛋白CIB2等【1-5】。然而，听觉TMC机械力转导通道复合体包含哪些具体蛋白，它如何感应机械刺激，而机体又如何对MET通道进行调控，目前仍然存在很多悬而未决的疑团。

有意思的是，TMC通道不仅在进化上非常保守（从无脊椎动物到脊椎动物都有广泛表达），而且在功能上具有多样性。它不仅在哺乳动物对声音的感知中发挥着重要作用，而且还介导果蝇对食物质地的感受、线虫对触摸刺激和碱性溶液刺激的感知【6, 7】。此外，无论线虫还是小鼠，TMC1都可以直接介导背景Na+电流，进而调控细胞的静息膜电位和可兴奋性【8, 9】。

2024年7月9日，约翰霍普金斯大学Ulrich Müller课题组与浙江大学康利军课题组合作在Neuron发表题为Sequence variations and accessory proteins adapt TMC functions to distinct sensory modalities的研究，揭示了蛋白序列的多样性，以及与不同辅助亚基蛋白的结合是TMC通道蛋白功能多样性的潜在机制。

秀丽隐杆线虫（C. elegans）是生物学研究的核心模式生物，研究报道线虫的TMC-1蛋白具有多种通道功能、进而调控不同的生理过程。已有研究表明，TMC-1可能是线虫OLQ神经元中的机械敏感离子通道、ASH神经元中的碱性pH激活通道以及HSN神经元和肌细胞中的背景Na+通道的组成部分。而且，线虫中还表达听觉毛细胞中TMC通道蛋白复合物组分的同源蛋白TMIE和CALM-1（CIB2的同源物）。此外，研究报道线虫Ankyrin蛋白UNC-44是TMC-1蛋白在OLQ神经元中发挥机械通道功能必须的组分【6】。

为了探究TMC-1蛋白的功能多样化的潜在机制，团队成员首先以过表达的转基因线虫和CRISPR/Cas9编辑的mNeonGreen插入的内源标记线虫，系统研究了TMC-1、TMIE、CALM-1和UNC-44在线虫不同组织细胞中的表达。其次，进行了TMC-1依赖的行为学实验，发现碱感受是TMC-1最基本的功能，不需要TMIE、CALM-1或UNC-44参与。静息电位和产卵行为调控需要TMC-1、TMIE和CALM-1；而机械感觉是最复杂的功能，需要TMC-1、TMIE、CALM-1和UNC-44（图1）。通过钙成像和电生理实验，团队成员进一步确认了这些复合物分子组成的差异是TMC-1功能多样性的潜在机制（图2）。

图1：tmc-1、tmie、calm-1和unc-44在特定神经元和外阴肌细胞中的表达以及这些基因是否是行为功能所必须的结果。 (Credit:Neuron)

图2：全细胞电生理记录ASH神经元、OLQ神经元和外阴肌细胞（VM）中3种tmc-1通道依赖性电流。（+，有电流或Ca2+响应；-，无电流） (Credit:Neuron)

线虫和哺乳动物的CALM-1（CIB2）和TMIE蛋白序列保守性很高，哺乳动物的CIB2和TMIE能够替换线虫的同源蛋白发挥相应的功能。免疫共沉淀实验结果表明TMC-1能够与CALM-1和TMIE结合，突变的CALM-1L154R和TMIE47-67 delete与TMC-1的结合能力明显降低；在对应的突变体中过表达CALM-1L154R或TMIE47-67 delete蛋白并不能够改善线虫的鼻触摸敏感行为和产卵行为的缺陷。这些结果表明TMC-1是与CALM-1、TMIE等蛋白形成通道复合物来发挥功能的。

哺乳动物TMC家族成员有mTMC1至mTMC8，其中跟线虫TMC-1同源性最高的是mTMC1/2/3。为了探究TMC蛋白功能进化上的关系，我们进行了一系列蛋白改造和行为学实验。实验结果表明TMC-1 N末端的结构域（两亲性α-螺旋）是机械传感所必需的，而其C末端序列是碱感受所必需的。这些序列基序在哺乳动物mTMC1/2和mTMC3之间出现分离，其中mTMC3缺乏机械转导所需的序列基序（N末端两亲性α-螺旋），而mTMC1/2缺乏碱感应所需的序列基序（长C末端）。与这些发现一致，行为学实验方面只有mTMC1可以挽救tmc-1缺陷线虫的机械转导缺陷，而只有mTMC3可以挽救其碱感受缺陷。此外，线虫TMC-1潜在的成孔区域的点突变对其机械性感受和碱感受有不同的影响。

总之，这些研究结果表明碱感受是由线虫TMC-1和小鼠mTMC3介导的基本TMC功能，但序列多样化和与辅助蛋白的组合差异导致了具有不同特性和生理功能的TMC蛋白复合物的出现（图3）。

图3 (Credit:Neuron)

参考文献

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2. Jia, Y., Zhao, Y., Kusakizako, T., Wang, Y., Pan, C., Zhang, Y., Nureki, O., Hattori, M., and Yan, Z. (2020). TMC1 and TMC2 Proteins Are Pore-Forming Subunits of Mechanosensitive Ion Channels. Neuron 105, 310–321.e3.

3. Cunningham CL, Qiu X, Wu Z, Zhao B, Peng G, Kim YH, Lauer A, Müller U. TMIE Defines Pore and Gating Properties of the Mechanotransduction Channel of Mammalian Cochlear Hair Cells. Neuron. 2020 Jul 8;107(1):126-143.e8. doi: 10.1016/j.neuron.2020.03.033. Epub 2020 Apr 27.

4. Liang, X., Qiu, X., Dionne, G., Cunningham, C.L., Pucak, M.L., Peng, G., Kim, Y.H., Lauer, A., Shapiro, L., and Muller, U. (2021). CIB2 and CIB3 are auxiliary subunits of the mechanotransduction channel of hair cells. Neuron 109, 2131-2149 e2115. 10.1016/j.neuron.2021.05.007.

5. Kazmierczak P, Sakaguchi H, Tokita J, Wilson-Kubalek EM, Milligan RA, Müller U, Kachar B. Cadherin 23 and protocadherin 15 interact to form tip-link filaments in sensory hair cells. Nature. 2007 Sep 6;449(7158):87-91. doi: 10.1038/nature06091.

6. Tang, Y.Q., Lee, S.A., Rahman, M., Vanapalli, S.A., Lu, H., and Schafer, W.R. (2020). Ankyrin Is An Intracellular Tether for TMC Mechanotransduction Channels. Neuron 107, 112-125 e110. 10.1016/j.neuron.2020.03.026.

7. Wang, X., Li, G., Liu, J., Liu, J., and Xu, X.Z. (2016). TMC-1 Mediates Alkaline Sensation in C. elegans through Nociceptive Neurons. Neuron 91, 146-154. 10.1016/j.neuron.2016.05.023.

8. Yue, X., Zhao, J., Li, X., Fan, Y., Duan, D., Zhang, X., Zou, W., Sheng, Y., Zhang, T., Yang, Q., et al. (2018). TMC Proteins Modulate Egg Laying and Membrane Excitability through a Background Leak Conductance in C. elegans. Neuron 97, 571-585 e575. 10.1016/j.neuron.2017.12.041.

9. Liu, S., Wang, S., Zou, L., Li, J., Song, C., Chen, J., Hu, Q., Liu, L., Huang, P., and Xiong, W. (2019). TMC1 is an essential component of a leak channel that modulates tonotopy and excitability of auditory hair cells in mice. Elife 8. 10.7554/eLife.47441.

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