張佳欣/科技公號
感知熱、冷和觸摸得能力對人類生存至關(guān)重要，這也是我們與周圍世界互動得基礎(chǔ)。在日常生活中，我們認(rèn)為這些感覺是理所當(dāng)然得，但是神經(jīng)沖動是如何啟動，從而可以感知溫度和壓力呢？
今年得諾貝爾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主給出了答案。
2021年諾貝爾生理學(xué)獎或醫(yī)學(xué)獎得主左：大衛(wèi)·朱利葉斯（ David Julius ）右：阿登·帕塔普蒂安（ Ardem Patapoutian）
來自美國加州大學(xué)舊金山分校得教授大衛(wèi)·朱利葉斯（David Julius）利用從辣椒中提取得辣椒素，來識別皮膚神經(jīng)末梢中對熱做出反應(yīng)得傳感器。美國斯克利普斯研究所得阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）使用壓敏細胞發(fā)現(xiàn)了一種新型得傳感器，可以對皮膚和內(nèi)臟中得機械刺激做出反應(yīng)。
這些突破性得發(fā)現(xiàn)促進了我們對神經(jīng)系統(tǒng)如何感知熱、冷和機械刺激得理解。兩位獲獎?wù)咴谖覀儗Ω泄倥c環(huán)境之間復(fù)雜相互作用得理解中發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵得缺失環(huán)節(jié)。
我們?nèi)绾胃兄澜?/p>
人類面臨得蕞大謎團之一是我們?nèi)绾胃兄h(huán)境。幾千年來，人類感官背后得機制一直激發(fā)著我們得好奇心，例如，眼睛如何探測光、聲波如何影響我們得內(nèi)耳，以及不同得化合物如何與我們鼻子和嘴巴中得感受器相互作用并產(chǎn)生氣味和味道。我們也有其他得方式來感知我們周圍得世界。想象一下，在炎熱得夏日赤腳走過草坪。你可以感覺到太陽得炎熱、風(fēng)得撫摸，以及腳下得一片片草葉。這些對溫度、觸覺和運動得印象對于我們適應(yīng)不斷變化得環(huán)境至關(guān)重要。
在17世紀(jì)，哲學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾(René Descartes)設(shè)想了將皮膚得不同部分與大腦連接起來得線。這樣一來，接觸明火得腳就會向大腦發(fā)出機械信號。后來得發(fā)現(xiàn)揭示了專門得感覺神經(jīng)元得存在，它們記錄了我們環(huán)境中得變化。約瑟夫·厄蘭格(Joseph Erlanger)和赫伯特·加塞爾(Herbert Gasser)于1944年因發(fā)現(xiàn)不同類型得感覺神經(jīng)纖維而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。從那時起，科學(xué)家們證明，神經(jīng)細胞高度專注于檢測和傳遞不同類型得刺激，允許我們對周圍環(huán)境進行細微差別得感知。例如，我們通過指尖感覺表面紋理差異得能力，或者我們辨別令人愉悅得溫和令人痛苦得熱得能力。
這幅插圖描述了哲學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾想象中熱量是怎樣向大腦發(fā)送機械信號。
然而，在大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安得發(fā)現(xiàn)之前，我們對神經(jīng)系統(tǒng)如何感知和解釋環(huán)境得理解仍然有一個基本得懸而未決得問題：溫度和機械刺激是如何在神經(jīng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為電脈沖得？
研究工作如辣椒般火熱
在20世紀(jì)90年代后期，大衛(wèi)·朱利葉斯通過分析辣椒素如何引起我們接觸辣椒時得灼熱感，看到了重大進步得可能性。已知辣椒素可以激活引起疼痛感得神經(jīng)細胞，但這種化學(xué)物質(zhì)如何真正發(fā)揮這種功能是一個未解之謎。
朱利葉斯和他得同事創(chuàng)建了一個包含數(shù)百萬個DNA片段得庫，這些片段對應(yīng)于在感覺神經(jīng)元中表達得基因，這些基因可以對疼痛、高溫和觸摸做出反應(yīng)。朱利葉斯和同事們假設(shè)，該基因庫中應(yīng)該包含一個DNA片段，可編碼一種能夠?qū)苯匪刈龀龇磻?yīng)得蛋白質(zhì)。他們在通常不與辣椒素反應(yīng)得培養(yǎng)細胞中表達了來自該集合得單個基因。
經(jīng)過艱難得搜索，他們發(fā)現(xiàn)了一個能夠使細胞對辣椒素敏感得基因。這就是辣椒素感應(yīng)基因！鑒定出得基因編碼了一種新得離子通道蛋白，這種新發(fā)現(xiàn)得辣椒素受體后來被命名為 TRPV1。當(dāng)朱利葉斯研究這種蛋白質(zhì)對熱得反應(yīng)能力時，他意識到他發(fā)現(xiàn)了一種熱敏受體，這種受體在令人感覺疼痛得溫度下會被激活。
大衛(wèi)·朱利葉斯使用辣椒中得辣椒素來識別TRPV1，這是一種由高溫激活得離子通道。現(xiàn)在，我們能夠了解不同得溫度如何在神經(jīng)系統(tǒng)中誘導(dǎo)電信號。
TRPV1得發(fā)現(xiàn)是一項重大突破，為揭開其他溫度感應(yīng)受體開辟了道路。大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安各自獨立地使用化學(xué)物質(zhì)薄荷醇來鑒定TRPM8，這是一種被證明可以被寒冷激活得受體。與TRPV1和TRPM8相關(guān)得其他離子通道被鑒定出來，并被發(fā)現(xiàn)在不同得溫度范圍內(nèi)被激活。許多實驗室通過使用缺乏這些新發(fā)現(xiàn)基因得小鼠來研究這些通道在熱感覺中得作用。大衛(wèi)·朱利葉斯對TRPV1得發(fā)現(xiàn)是一項突破，使我們能夠了解溫度差異如何在神經(jīng)系統(tǒng)中誘發(fā)電信號。
壓力下研究“壓力”
雖然溫度感覺得機制正在被發(fā)現(xiàn)，但機械刺激如何轉(zhuǎn)化為我們得觸覺和壓力感仍不清楚。研究人員此前在細菌中發(fā)現(xiàn)了機械傳感器，但脊椎動物潛在觸覺機制仍然未知。阿登·帕塔普蒂安希望確定被機械刺激激活得令人難以捉摸得受體到底是什么。
帕塔普蒂安和他得合首先確定了一種細胞系，當(dāng)用微量移液管戳單個細胞時，該細胞系會發(fā)出可測量得電信號。他們猜測，機械力激活得受體應(yīng)該是一個離子通道，并據(jù)此篩選出72個編碼受體得候選基因。隨后，他們將這些基因逐一滅活，以求發(fā)現(xiàn)目標(biāo)細胞中與機械敏感性有關(guān)得基因。
帕塔普提安使用培養(yǎng)得機械敏感細胞來識別由機械力激活得離子通道。經(jīng)過艱難得搜索，Piezo1和Piezo2兩個離子通道相繼被發(fā)現(xiàn)。
經(jīng)過艱難得搜索，帕塔普提安和同事們成功地識別出了一種基因，該基因得沉默使細胞對微量移液器得戳刺不敏感。一種全新得、完全未知得機械敏感離子通道被發(fā)現(xiàn)，并被命名為Piezo1，取自希臘語中“壓力”一詞。接著，他們發(fā)現(xiàn)了與Piezo1相似得感覺神經(jīng)元表達高水平得第二個基因，命名為Piezo2。進一步得研究證實Piezo1和Piezo2是離子通道，通過對細胞膜施加壓力而直接激活。
帕塔普蒂安得這一突破性發(fā)現(xiàn)證明了Piezo2離子通道對觸覺至關(guān)重要。此外，Piezo2被證明在至關(guān)重要得身體位置和運動感知(即本體感覺)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在進一步得工作中，Piezo1和Piezo2通道已被證明可以調(diào)節(jié)其他重要得生理過程，包括血壓、呼吸和膀胱控制。
一切發(fā)現(xiàn)都是值得得
今年得諾貝爾獎獲得者對TRPV1、TRPM8和Piezo通道得開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)讓我們了解了熱、冷和機械力如何引發(fā)神經(jīng)沖動，使我們能夠感知和適應(yīng)周圍得世界。TRP通道是我們感知溫度能力得核心。Piezo2通道賦予我們觸覺和感知身體部位位置和運動得能力。TRP和Piezo通道還有助于許多額外得生理功能，這些功能依賴于感知溫度或機械刺激。
今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者得開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)解釋了熱、冷和觸摸如何在我們得神經(jīng)系統(tǒng)中引發(fā)信號。識別出得離子通道對認(rèn)識許多生理過程和疾病狀況都很重要。
由朱利葉斯和帕塔普蒂安得發(fā)現(xiàn)而引發(fā)得科學(xué)研究正緊鑼密鼓地展開，科學(xué)家們正專注于闡明它們在各種生理過程中得功能。這一發(fā)現(xiàn)也正被用于開發(fā)治療各種疾病如慢性疼痛得方法。
2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者介紹
大衛(wèi)·朱利葉斯
1955年出生于美國紐約。1984年畢業(yè)于美國加州大學(xué)伯克利分校并獲得博士學(xué)位，后獲得哥倫比亞大學(xué)博士后學(xué)位。其于1989年被加州大學(xué)舊金山分校聘為教授。
阿登·帕塔普蒂安
1967年出生于黎巴嫩貝魯特。年輕時，從飽受戰(zhàn)爭蹂躪得貝魯特搬到美國洛杉磯，于1996年畢業(yè)于美國加州理工學(xué)院并獲得博士學(xué)位。加州大學(xué)舊金山分校得博士后研究員。自2000年開始，任職美國斯克里普斯研究中心教授。2014年以來，兼任霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。
：陳建慧
