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編譯|冷一夏,白楊,趙財貓

圖源|Nobel Prize

2021年諾貝爾生理學或醫學獎北京時間10月4日17時30分揭曉:花落溫度和觸覺感受器研究,兩名美國科學家獲獎。而此前因新冠疫情呼聲極高的mRNA技術今年未能獲獎。

在瑞典首都斯德哥爾摩卡羅琳醫學院,諾貝爾獎委員會總祕書長托馬斯·佩爾曼宣佈, 2021年諾貝爾生理學或醫學獎授予戴維·朱利葉斯(David Julius )和阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian ),以表彰他們在“發現溫度和觸覺感受器”方面作出的貢獻(for their discoveries receptors for temperature and touch) 。

雖然大熱的mRNA技術未能獲獎,但是此次獲獎的領域也算不上爆冷,因為神經領域同樣是近年來的熱門。

兩位獲獎者將分享1000萬瑞典克朗獎金(約合736萬元人民幣)。

評獎委員會說,人類對熱、冷和觸覺的感知能力對生存至關重要,且鞏固了我們與周圍世界的互動。在日常生活中,我們認為這些感覺是理所當然的,但神經衝動是如何產生的,從而使溫度和壓力可以被感知的呢?今年的諾貝爾獎得主已經解決了這個問題。

戴維·朱利葉斯利用辣椒素(capsaicin,能引起灼熱感的刺激性化合物)來識別面板神經末梢中對熱量有反應的受體。而阿登·帕塔普蒂安使用壓力感應細胞(pressure-sensitive cells)發現了對面板和內臟中的機械刺激有反應的一種新的受體。研究活動圍繞著這些突破性的發現展開,迅速增加了我們對神經系統如何感知熱、冷和機械刺激的理解。戴維·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安發現了在理解感官和環境之間的複雜相互作用是缺失的關鍵環節。

01

我們是怎樣感知外界環境的?

一直以來,人類都面臨著一大謎團——我們是如何感知外界環境的。成千上萬年來,人類的感官機制不斷激發我們自我探索的好奇心,比如,眼睛怎樣檢測到光線,聲波怎樣影響我們的內耳,以及不同的化合物如何與鼻子和嘴部的受體相互作用,產生氣味和味道。我們還有其他方法來感知我們周圍的世界。想象一下,在炎熱的夏日,赤腳穿過草坪。你可以感覺到太陽的熱度,風的撫摸,以及腳下的草葉。要適應不斷變化的周圍環境,這些對溫度、觸覺和運動的感覺同樣至關重要。

17世紀時,哲學家勒內·笛卡爾(René Descartes)設想,人的體內有不同的線,連線面板不同部位和大腦。這樣,腳碰到火就會向大腦傳送機械訊號(圖1)。後來,科學家發現了神經元的存在,神經元能夠專門記錄周圍環境變化、我們的感覺。1944年,約瑟夫·埃爾朗格(Joseph Erlanger)赫伯特·加瑟(Herbert Gasser)獲得了諾貝爾生理學或醫學獎,就是因為他們發現了不同型別的感覺神經纖維,這些神經纖維對不同的刺激有反應。比如,對疼痛和非疼痛接觸的反應。從那時候開始,我們知道了神經細胞高度專用與檢測和轉導不同型別的刺激,從而能讓我們感知到周圍環境的細微差別:比如,我們的觸覺能夠通過指尖感受到表面紋理差異,或者我們的溫覺能夠辨別什麼是溫暖,什麼是燙。

圖注1:描繪了哲學家勒內·笛卡爾(RenéDescartes)想象出身體在感受到了以後,是怎樣向大腦傳送機械訊號的。

在David Julius和Ardem Patapoutian的發現以前,在理解神經系統如何感知和解釋我們周圍的環境時,我們還有一個問題沒有得到解決:溫度和機械刺激是怎樣轉化為神經系統中的電脈衝的?

02

“火辣”的研究

20世紀90年代後期,美國舊金山加利福尼亞大學的科學家戴維·朱利葉斯通過分析辣椒素如何引發人體的灼燒感,發現了取得重大科學進展的可能性。

辣椒素可以啟用引起疼痛感的神經細胞,但這種化學物質究竟是如何發揮這種功能的仍是一個未知數。朱利葉斯和同事建立了一個包含數百萬個 DNA 片段的資料庫,其中的DNA片段與在感覺神經元中表達的基因相對應。也就是說,這些基因表達的產物可以對疼痛、熱和觸控做出反應。

朱利葉斯和同事假設這個資料庫中包含能夠編碼與辣椒素反應的蛋白質的 DNA 片段。他們在不與辣椒素反應的培養細胞中表達了資料庫中的許多單個基因。經過艱苦地搜尋,確定了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因(圖 2)。終於,辣椒素感應基因被發現了!

進一步的實驗表明,這個基因編碼了一種新的離子通道蛋白。這種新發現的辣椒素受體後來被命名為 TRPV1。當朱利葉斯研究蛋白質對熱的反應能力時,他意識到他發現了一種熱敏受體,它在感覺疼痛的溫度下被啟用(圖 2)。

戴維·朱利葉斯使用辣椒中的辣椒素來識別TRPV1離子通道(經由讓人感到疼痛的高的溫度啟用)。在發現其他一些相關離子通道後,現在我們瞭解到不同溫度引起神經系統中電訊號的機制。

TRPV1 的發現是一項重大突破,為揭開其他溫度感應受體開闢了道路。朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安各自獨立地使用薄荷醇來識別 TRPM8,這是一種被證明會被寒冷啟用的受體。 與 TRPV1 和 TRPM8 相關的其他離子通道被確定會在不同的溫度下被啟用。

許多實驗室開展了研究專案,通過使用缺乏這些新發現基因的小鼠來研究這些通道在熱感覺中的作用。戴維·朱利葉斯對 TRPV1 的發現是一項突破,使我們能夠了解溫度差異如何在神經系統中誘發電訊號。

03

機體如何感知觸覺

雖然對溫度感覺機制的研究正在展開,但科學家仍不清楚機械刺激是怎樣轉化為我們的觸覺。此前,研究人員在細菌中發現了機械敏感性受體,但脊椎動物中潛在的接觸機制仍然未知。戴維·朱利葉斯在美國加利福尼亞州的斯克利普斯研究所(Scripps Research)工作,他希望識別那些被機械刺激啟用的受體。

阿登·帕塔普蒂安研究團隊首先發現了一種細胞系,當用微量移液管插入單個細胞時,這種細胞系會發出可測量的電訊號。當時,研究人員假設機械力會啟用受體開啟離子通道,接下來,就能夠在72個可能的候選的受體基因中識別出被機械刺激啟用的受體。為了找到細胞中負責機械敏感性的基因,科學家對這些基因逐一滅活。經過艱苦地搜尋,阿登·帕塔普蒂安研究團隊成功地識別出了一個單一的基因,當用微量移液管插入這種基因時,它的細胞並不敏感。

科學家發現了一種全新的、完全未知的機械敏感離子通道,並依據希臘語中表示壓力的詞 (í; píesi) 將其命名為 Piezo1。通過與 Piezo1 進行比較,科學家又發現了與之相似的第二個基因,並將其命名為 Piezo2。 隨後科學家發現,感覺神經中表達了高水平的 Piezo2。進一步地研究證實, Piezo1 和 Piezo2 是離子通道,可以通過對細胞膜施加壓力來直接啟用(圖 3)。

圖注3: 阿登·帕塔普蒂安通過培養的機械敏感細胞來識別由機械力啟用的離子通道。經過艱苦的工作,Piezo1離子通道被確定。基於核與Piezo1的相似性,他們又發現了第二個離子通道(Piezo2)

帕塔普蒂安的這一突破促使他和同事發表了一系列論文,以證明 Piezo2 離子通道對觸覺有著至關重要的影響。此外,Piezo2 還被證明在觸覺和動覺(也叫運動感覺,是對身體各部位的位置和運動狀況的感覺,也就是肌肉、腱和關節的感覺,即本體感覺)中發揮關鍵作用。在進一步地研究中,Piezo1 和 Piezo2 通道被證明可以調節其他重要的生理功能,包括血壓、呼吸和控制膀胱。

04

這一切都有意義

今年諾貝爾獎獲得者對TRPV1、TRPM8和Piezo通道的開創性發現使我們理解了熱、冷和觸覺是如何啟動了神經衝動,使我們能夠感知和適應我們周圍的世界。TRP 通道使我們能夠感知溫度,Piezo2 通道使我們能夠感知觸覺和動覺,而且TRP 和 Piezo 通道還有助於許多其他生理功能的發揮。今年諾貝爾生理學或醫學獎獲獎專案——溫度和觸覺感受器的研究,其側重點在於闡明溫度感受器、觸覺感受器在各種生理過程中如何發揮作用。這一研究發現正被用於開發各種疾病的治療方法,包括慢性疼痛的治療。

圖注4:今年諾貝爾獎獲得者取得的開創性發現揭示了熱、冷覺和觸覺是如何在我們的神經系統中發出訊號,其中新發現的離子通道在許多生理功能的發揮和疾病的發生過程中都扮演著至關重要的角色。

【《科學焦點》雜誌(wx:kexuejiaodian)是英國Science Focus雜誌的版權合作方,專注報道即將改變人類社會的重要研究、先進技術和創新產品】

參考資訊

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/溫度和觸覺感受器的發現有什麼重大意義?一文讀

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