2021諾貝爾生理或醫(yī)學獎：身體感受冷熱、觸覺的科學解釋

撰文 | 返樸

瑞典當地時間2021年10月4日11時30分（北京時間10月4日17時30分），諾貝爾獎委員會宣布將2021年生理學或醫(yī)學獎頒發(fā)給美國生理學家David Julies與亞美尼亞裔美國神經科學家Ardem Patapoutian，以表彰他們發(fā)現了溫度覺和觸覺的受體。

在我們的日常生活中，我們認為冷熱、觸覺的感受是理所當然的。但這些對人類生存至關重要的現象卻沒有科學的解釋。神經系統(tǒng)如何感知和解釋我們的環(huán)境？溫度和機械刺激如何在神經系統(tǒng)中轉化為電脈沖？神經沖動是如何啟動，以感知溫度和壓力的？今年的諾貝爾獎得主David Julies和Ardem Patapoutian給出了這些基本問題的答案。

David Julies用辣椒素來識別皮膚神經末梢中對熱有反應的傳感器。Ardem Patapoutian 使用壓敏細胞發(fā)現了一類新型受體，它可以對皮膚和內部器官中的機械刺激做出反應。這些突破性的發(fā)現開啟了大量新的研究，使我們迅速提升了對自身的神經系統(tǒng)如何感知熱、冷和機械刺激的認識。在理解我們的感官和環(huán)境之間復雜的相互作用上，這兩位獲獎者確定了關鍵的缺失環(huán)節(jié)。

通過辣椒素識別出溫度受體

上世紀90年代后期，人們已經知道，辣椒素能激活神經細胞，引發(fā)疼痛的感覺，但這種化學物質究竟是如何發(fā)揮這種功能的？David Julies看到了解決關鍵謎題的希望。他帶領團隊創(chuàng)建了一個由數百萬個DNA片段組成的數據庫，這些片段對應的基因在感覺神經元中表達，可以對痛、熱和觸摸做出反應。他們認為庫中會包含一個DNA片段，能夠編碼對辣椒素產生反應的蛋白質。

他們在通常對辣椒素沒有反應的培養(yǎng)細胞中表達了庫中的單個基因。經過艱苦的搜索，確定了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的單一基因——辣椒素感應的基因被找到了! 進一步的實驗顯示，這個基因編碼了一個新的離子通道蛋白。而新發(fā)現的辣椒素受體后來被命名為TRPV1。Julies意識到，他發(fā)現了一個熱感應受體，當溫度上升到讓人疼痛的時候，就會被激活。

現在，我們了解了不同的溫度是如何在神經系統(tǒng)中誘發(fā)電信號的。

TRPV1的發(fā)現是一個重大突破，引領了解開其他溫度敏感受體的道路。David Julius和Ardem Patapoutian各自獨立地使用薄荷醇識別出TRPM8——一種能被寒冷激活的受體。另外還發(fā)現了與TRPV1和TRPM8相關的離子通道，并發(fā)現它們可以被一系列不同的溫度激活。

貨真價實的壓力

至于我們如何感受到“壓力”，研究者并未得出脊椎動物的神經機制，只是在細菌中發(fā)現了機械性受體。斯克里普斯研究所的Ardem Patapoutian投入了該項研究中。他與合作者首先確定了一個細胞系，當細胞被微針刺中時，會發(fā)出電信號。因為他們推測被機械性外力刺激的受體是一個離子通道，并篩選出72種編碼受體的候選基因。同樣，經過大量的工作，Ardem Patapoutian最終確定了單一基因——該基因沉默時，會使細胞對微針的戳刺不敏感。

通過培養(yǎng)對機械壓力敏感的細胞，一個全新的、能被機械力所激活的離子通道被發(fā)現了，命名為Piezo1，“Piezo”就是希臘語中的“壓力”。接著他們又發(fā)現了另一個基因，可以被感覺神經元高水平表達，即Piezo2。他們確定了這也是離子通道，可以被細胞膜表面的壓力激活。后續(xù)的研究發(fā)現，Piezo2對身體姿勢和運動的感受也非常關鍵。Piezo1和Piezo2還被證明對生理過程有很大作用，包括血壓、呼吸和膀胱控制等。

在諾獎官方新聞稿中，他們用“It all makes sense!”來形容David Julies和Ardem Patapoutian的工作。他們對TRPV1、TRPM8和Piezo通道的突破性發(fā)現，使我們能夠了解熱、冷和機械力如何啟動神經沖動，讓我們感知和適應我們周圍的世界。由這兩位科學家的發(fā)現所帶來的大量研究集中于闡明這些離子通道在各種生理過程中的功能，幫助我們開發(fā)慢性疼痛等各種疾病的治療方法。

David Julius，美國生理學家，加州大學舊金山分校教授。

Julius 出生于1955年，1977年本科畢業(yè)于麻省理工學院，1984年獲得加州大學伯克利分校博士學位，1989年于哥倫比亞大學完成博士后項目。

Julius曾獲得首屆 Perl-UNC 神經科學獎（2000年），并獲得2010 年度邵逸夫獎。2020 年度生命科學突破獎、 2020 年度 Kavli 神經科學獎（與 Ardem Patapoutian 一起）。

Ardem Patapoutian，亞美尼亞裔美國分子生物學家、神經科學家。

Patapoutian 1967 年出生于黎巴嫩貝魯特， 1986年移居美國，1990年于加州大學洛杉磯分校獲得細胞和發(fā)育生物學學士學位，1996 年于加州理工學院獲得生物學博士學位。博士后研究期間在加州大學舊金山分校與 Louis F. Reichardt 一起工作。2000 年，Patapoutian成為斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）助理教授，2014 年以來一直擔任霍華德休斯醫(yī)學研究所 (HHMI) 的研究員。

2016 年，Patapoutian入選美國科學促進會會士， 2017 年入選美國國家科學院院士， 2020 年入選美國藝術與科學院院士。另外， Patapoutian還獲得了2017 年度 W. Alden Spencer 獎， 2019 年度Rosenstiel 獎， 2020 年度 Kavli 神經科學獎和 BBVA 基金會生物學/生物醫(yī)學知識前沿獎。