The Piezo1 calcium-permeable channel is revealed to have a role in the vascular cellular response to shear stress; a mouse knockout reveals that this channel is also important for normal vascular development. The calcium-permeable ion channel Piezo1 is known to be a sensor for noxious mechanical stimuli. Here David Beech and colleagues identify the channel as an important component in the vascular response to the frictional force or shear stress experienced by the walls of the blood vessel as the blood passes through. They show that Piezo1 channels act as blood flow sensors, important for the alignment of endothelial cells in response to flow. The lack of Piezo1 specifically in endothelial cells leads to abnormal vascular development. These findings have implications for understanding vascular physiology and how it is affected by disease processes such as atherosclerosis and cancer, in which alterations in shear stress and other mechanical forces are common. The mechanisms by which physical forces regulate endothelial cells to determine the complexities of vascular structure and function are enigmatic1,2,3,4,5. Studies of sensory neurons have suggested Piezo proteins as subunits of Ca2+-permeable non-selective cationic channels for detection of noxious mechanical impact6,7,8. Here we show Piezo1 (Fam38a) channels as sensors of frictional force (shear stress) and determinants of vascular structure in both development and adult physiology. Global or endothelial-specific disruption of mouse Piezo1 profoundly disturbed the developing vasculature and was embryonic lethal within days of the heart beating. Haploinsufficiency was not lethal but endothelial abnormality was detected in mature vessels. The importance of Piezo1 channels as sensors of blood flow was shown by Piezo1 dependence of shear-stress-evoked ionic current and calcium influx in endothelial cells and the ability of exogenous Piezo1 to confer sensitivity to shear stress on otherwise resistant cells. Downstream of this calcium influx there was protease activation and spatial reorganization of endothelial cells to the polarity of the applied force. The data suggest that Piezo1 channels function as pivotal integrators in vascular biology.

Piezo1 channels are determinants of vascular responses to fluid flow. They importantly provide sustained response to flow, but this property contrasts with the rapid inactivation that has become a hallmark of the channels in heterologous overexpression studies. Here we reveal a mechanism by which blood vessels disable inactivation to enable sustained physiological response. Creation of a molecular model of Piezo1 channel in defined lipid membranes suggested potential modulation by sphingomyelin and its product ceramide. Biological relevance was indicated by the observation that exogenous sphingomyelinase enhanced Piezo1-mediated Ca2+ entry in cultured endothelial cells. We therefore hypothesised that endogenous sphingomyelinase suppresses channel inactivation. Remarkably, in endothelium freshly-isolated from murine artery, neutral sphingomyelinase inhibitors or genetic disruption of sphingomyelin phosphodiesterase 3 (SMPD3) caused flow- and pressure-activated Piezo1 channels to become inactivating. SMPD3 retained its ability to disable inactivation in cell-free membrane patches, providing evidence for a membrane localised effect. The data suggest that inherent inactivation of Piezo1 channels is disabled by enzymatic control of lipid environment to enable physiological response to mechanical force.

Piezo1 is a critical mechanical sensor in many cells. It is activated by mechanical force thus allowing cells to sense the physical environment and respond to stress. Structural data have suggested that Piezo1 has a curved shape. Here, we use computational approaches to model, for the first time, the 3D structure of the full-length Piezo1 in an asymmetric membrane. A number of novel insights emerge: (i) Piezo1 creates a dome in the membrane with a trilobed topology that extends beyond the radius of the protein, (ii) Piezo1 changes the lipid environment in its vicinity via specific interactions with cholesterol and PIP2 molecules, (iii) changes in cholesterol concentration that change the membrane stiffness result in changes in the depth of the dome created by Piezo1, and iv) modelling of the N-terminal region that is missing from current structures modifies Piezo1 membrane footprint, suggesting the importance of this region in Piezo1 function.