Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Наука

Нобелевскую премию по физиологии и медицине вручили за открытие рецепторов температуры и прикосновения

National Geographic Россия
05 октября 2021
002.jpg
Фото: Niklas Elmehed
Лауреатами стали Давид Джулиус и Ардем Патапутян.

«Наша способность ощущать тепло, холод и прикосновения необходима для выживания и лежит в основе нашего взаимодействия с окружающим миром. В повседневной жизни мы принимаем эти ощущения как должное, но как возбуждаются нервные импульсы, чтобы можно было почувствовать температуру и давление? Этот вопрос решили лауреаты Нобелевской премии этого года», — говорится в пресс-релизе на официальном сайте премии.

Дэвид Джулиус использовал капсаицин — острое соединение из перца чили, которое вызывает ощущение жжения, — чтобы определить датчик в нервных окончаниях кожи, реагирующий на тепло. Ардем Патапутян использовал чувствительные к давлению клетки, чтобы открыть новый класс датчиков, которые реагируют на механические раздражители в коже и внутренних органах.

Эти прорывные открытия положили начало интенсивной исследовательской деятельности, ведущей к быстрому расширению понимания того, как наша нервная система воспринимает тепло, холод и механические раздражители. Лауреаты выявили важные недостающие звенья в понимании сложного взаимодействия между нашими чувствами и окружающей средой.

Одна из великих загадок, стоящих перед человечеством, — это вопрос о том, как мы ощущаем окружающую среду. Механизмы, лежащие в основе наших чувств, на протяжении тысячелетий вызывали у нас любопытство — например, как свет воспринимается глазами, как звуковые волны влияют на наше внутреннее ухо, и как различные химические соединения взаимодействуют с рецепторами в нашем носу и рту, генерируя запах и вкус.

У нас есть и другие способы восприятия окружающего мира. Представьте, что вы идете босиком по лужайке в жаркий летний день. Вы можете почувствовать тепло солнца, ласку ветра и отдельные травинки под ногами. Эти впечатления от температуры, прикосновения и движения необходимы для нашей адаптации к постоянно меняющейся окружающей среде.

Более ранние открытия показали существование специализированных сенсорных нейронов, которые регистрируют изменения в окружающей среде. Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1944 году за открытие различных типов сенсорных нервных волокон, которые реагируют на различные раздражители, например, в ответ на болезненное и безболезненное прикосновение.

С тех пор было продемонстрировано, что нервные клетки в высшей степени специализированы для обнаружения и передачи различных типов стимулов, что позволяет детально воспринимать наше окружение; например, наша способность ощущать различия в текстуре поверхностей кончиками пальцев или наша способность различать и приятное тепло, и болезненное тепло.

До открытий Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутиана наше понимание того, как нервная система воспринимает и интерпретирует окружающую среду, все еще содержало фундаментальный нерешенный вопрос: как температура и механические стимулы превращаются в электрические импульсы в нервной системе?

Во второй половине 1990-х годов Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, США, увидел возможность значительного прогресса в этом вопросе, проанализировав, как капсаицин вызывает ощущение жжения, которое мы испытываем при контакте с перцем чили.

Уже было известно, что капсаицин активирует нервные клетки, вызывая болевые ощущения, но то, как это химическое вещество на самом деле проявляет эту функцию, было загадкой. Джулиус и его сотрудники создали библиотеку из миллионов фрагментов ДНК, соответствующих генам, которые экспрессируются в сенсорных нейронах, реагирующих на боль, тепло и прикосновения. Они предположили, что библиотека будет включать фрагмент ДНК, кодирующий белок, способный реагировать на капсаицин.

Исследователи экспрессировали отдельные гены из этой коллекции в культивируемых клетках, которые обычно не реагируют на капсаицин. После кропотливых поисков был идентифицирован единственный ген, способный сделать клетки чувствительными к капсаицину.

001.jpg
David Julius Джулиус использовал капсаицин из перца чили, чтобы идентифицировать TRPV1, ионный канал, активируемый болезненным теплом

Дальнейшие эксперименты показали, что идентифицированный ген кодирует новый белок ионного канала, и этот недавно открытый рецептор капсаицина позже был назван TRPV1. Открытие TRPV1 стало крупным прорывом, приведшим к раскрытию дополнительных рецепторов, чувствительных к температуре.

Независимо друг от друга и Джулиус, и Патапутян использовали ментол для идентификации TRPM8, рецептора, который, как было показано, активируется холодом. Также были идентифицированы дополнительные ионные каналы, относящиеся к TRPV1 и TRPM8, и было обнаружено, что они активируются в диапазоне различных температур.

Многие лаборатории проводили исследовательские программы по изучению роли этих каналов в тепловых ощущениях с использованием генетически модифицированных мышей, у которых отсутствовали эти недавно открытые гены. Открытие Дэвидом Джулиусом TRPV1 стало прорывом, который позволил понять, как разница в температуре может вызывать электрические сигналы в нервной системе.

Оставалось неясным, как механические стимулы могут быть преобразованы в наши ощущения прикосновения и давления. Ранее исследователи обнаружили механические сенсоры у бактерий, но механизмы, лежащие в основе прикосновения у позвоночных, оставались неизвестными. Патапутян, работающий в Scripps Research в Калифорнии, хотел определить неуловимые рецепторы, которые активируются механическими стимулами.

003.jpg
Ardem Patapoutian Патапутян использовал культивированные механочувствительные клетки для идентификации ионного канала, который активируется механической силой

Он с сотрудниками впервые определил линию клеток, которая испускала измеримый электрический сигнал, когда отдельные клетки протыкались микропипеткой. Предполагалось, что рецептор, активируемый механической силой, представляет собой ионный канал, и на следующем этапе были идентифицированы 72 гена-кандидата, кодирующие возможные рецепторы.

Эти гены инактивировали один за другим, чтобы обнаружить ген, ответственный за механочувствительность в исследуемых клетках. После напряженных поисков Патапутяну и его сотрудникам удалось идентифицировать единственный ген, подавление которого сделало клетки нечувствительными к протыканию микропипеткой.

Был открыт новый и совершенно неизвестный механочувствительный ионный канал, получивший название Piezo1. Сходный с ним ионный канал получил название Piezo2. Было обнаружено, что сенсорные нейроны экспрессируют высокие уровни Piezo2, и дальнейшие исследования твердо установили, что Piezo1 и Piezo2 представляют собой ионные каналы, которые непосредственно активируются при приложении давления на клеточные мембраны.

004.jpg
nobelprize.org Основополагающие открытия лауреатов Нобелевской премии этого года объяснили, как тепло, холод и прикосновение могут инициировать сигналы в нашей нервной системе

Прорыв Патапутяна привел к появлению серии статей, демонстрирующих, что ионный канал Piezo2 необходим для осязания. Более того, было показано, что Piezo2 играет ключевую роль в критически важном восприятии положения и движения тела, известном как проприоцепция. В дальнейшей работе было показано, что каналы Piezo1 и Piezo2 регулируют дополнительные важные физиологические процессы, включая артериальное давление, дыхание и контроль мочевого пузыря.

«Продолжающиеся интенсивные исследования, основанные на открытиях, удостоенных Нобелевской премии этого года, направлены на выяснение их функций в различных физиологических процессах. Эти знания используются для разработки методов лечения широкого спектра заболеваний, включая хроническую боль», – говорится в пресс-релизе.

рекомендации
Планета Земля

Три космостанции отходов и другие причины выбрать товары с экомаркировкой

Горы

Восхождение на Килиманджаро: самое интересное приключение в Африке

Фотоаппарат generic icon

Как прошел наш фототур в Дагестан