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关于今年诺贝尔生理学或医学奖 中科院院士段树民这样解读

浙江新闻客户端 记者 李娇俨

图源:诺贝尔奖官网

10月4日,美国生理学家大卫·朱利叶斯和美国分子生物学家德姆·帕塔波蒂安因发现温度与触觉受体,分享了2021年的诺贝尔生理学或医学奖。记者采访了中国科学院院士、神经生物学家段树民教授对此进行解读。

我们知道,感知冷、热的能力和触觉,对于人类的生存至关重要,这恰恰也是我们与周围世界互动的基础。在日常生活中,这些感觉仿佛是理所当然的。但神经冲动是如何启动,并感受到温度和压力的?这个问题一直困扰着科学家们。

“脑的信息传递一般通过电信号。要感受到温度或者压力,必然存在一个转化为电信号的机制。”段树民说,但是我们机体中将温度和各种机械刺激转化为神经电信号的感受器是什么?他们是如何实现这种转化的,仍然是一个谜。

因此,温度与触觉受体的发现,是一项重大的基础研究突破,两位科学家经过了几十年的努力,终于找到了相关的离子通道,并将结构、机制都研究清楚。“这些离子通道分别对温度和机械刺激敏感,当温度变化或受到机械力刺激后,就会开放,从而使相应的神经元放电增加,产生兴奋,感知冷暖、触觉、压力等刺激”。段树民说。

图源:诺贝尔奖官网

有趣的是,疼痛与温度,使用的是同一类通道。这也就是为什么我们在吃辣椒时,会感觉到热。辣椒素,也成为了打开谜底的钥匙。

上世纪90年代后期,在美国旧金山加利福尼亚大学任职的大卫·朱利叶斯开始分析由辣椒素引起的,接触辣椒时的灼烧感。朱利叶斯和他的同事构建了一个包含数百万 DNA 片段的基因库。这些片段对应于感觉神经元中表达的基因,这些基因可对疼痛、热和触摸做出反应。

“我们知道机体中一定会有某些基因,能够编码与辣椒素反应的蛋白质的 DNA 片段。但是大家不确定是哪个基因。于是朱利叶斯通过排除法记录信号,在系统中不断删除基因,当压力刺激或者温度刺激没有反应时,就说明去掉的那个就是我们要找的”。段树民说。

大卫·朱利叶斯经过艰苦的搜索,终于确定了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因。进一步的实验表明,鉴定出的基因编码了一种新的离子通道蛋白,这种新发现的辣椒素受体后来被命名为 TRPV1。当大卫·朱利叶斯继续研究这种蛋白质对热的反应能力时,他意识到他发现了一种热敏受体,能在人体感受到温度变化时被激活。后来,大卫·朱利叶斯和德姆·帕塔波蒂安又各自独立地使用化学物质薄荷醇识别出了 TRPM8——一种会被寒冷而激活的受体。

尽管温度感觉的机制已经明晰,但机械刺激是如何转化为触觉和压力感觉,我们仍然不清楚。

而阿德姆·帕塔波蒂安一直希望,能够确定被机械刺激激活的受体究竟是什么。

图源:诺贝尔奖官网

利用类似的方法,帕塔波蒂安和他的合作者首先确定了一种细胞系,当用微量移液管戳单个细胞时,该细胞系会发出可测量的电信号。他们假设被机械力激活的受体是离子通道,并且在下一步中鉴定了编码可能受体的 72 个候选基因。这些基因被一一灭活,以此来搜索负责研究细胞机械敏感性的基因。

经过大量辛苦的搜索,两种全新的、完全未知的机械敏感离子通道Piezo1 和 Piezo2被发现了。进一步的研究证实, Piezo1 和 Piezo2 会被施加在细胞膜上的压力直接激活,可以调节重要的生理过程,包括血压、呼吸和膀胱控制。

图源:诺贝尔奖官网

“人体的很多地方都会用到压力敏感的离子通道。当他们找到这一类通道后,就可以以此为靶点来干预呼吸道、心血管、甚至听力等生理过程。”段树民说,利用这项研究,中晚期肿瘤带来的疼痛、持续的慢性疼痛,焦虑、抑郁表现的痛觉敏感等,都有可能通过这些靶点而得到有效的控制。

大卫·朱利叶斯和德姆·帕塔波蒂安对TRPV1、TRPM8 和 Piezo 通道的突破性发现,让我们理解了热、冷和机械力是如何引发神经冲动的,弥补了感官与环境之间复杂相互作用中缺失的关键环节。

想象一下,在炎热的夏日,赤脚走过草坪,轻抚过的炽热暖风,脚下触及的每一片草叶,都无比舒适、无比鲜活。温度与触觉,也让我们更深刻地体会到这个世界的迷人之处。



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原文地址《 关于今年诺贝尔生理学或医学奖 中科院院士段树民这样解读》发布于2021-10-5
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