banner banner

Ощутить тепло и силу объятий. За что дали Нобелевскую премию по медицине за 2021 год

Двое американских ученых исследовали, какие рецепторы в нашем организме и каким образом воспринимают тепло и механическое давление

Ощутить тепло и силу объятий. За что дали Нобелевскую премию по медицине за 2021 год
Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян Ардем Патапутян / Twitter

Двое американских ученых исследовали, какие рецепторы в нашем организме и каким образом воспринимают тепло и механическое давление

В понедельник, 4 октября, стартовала Нобелевская неделя 2021 года. Традиционно, первыми в Стокгольме объявили обладателей награды в области физиологии и медицины. Премию поровну разделили между двумя американскими учеными: физиологом Дэвидом Джулиусом и молекулярным биологом Ардемом Патапутяном. Они исследовали то, как мы своими органами чувств воспринимаем тепло и прикосновение. Член Нобелевского комитета, профессор нейробиологии Каролинского института Абдель Эль Манира после церемонии оглашения лауреатов красиво увязал это решение с ситуацией, в которой мы оказались из-за пандемии коронавируса. "Как вы знаете, в течение прошлого года мы соблюдали социальную дистанцию друг от друга, и мы соскучились по чувству прикосновения, ощущению тепла, которое мы даем друг другу, например при объятьях. И когда мы обнимаемся, именно эти рецепторы дают нам ощущение тепла и близости", – пояснил Эль Манира. Рассказываем словами Нобелевского комитета, как Джулиус и Патапутян делали свои открытия, и в чем их важность для науки.

Наша способность ощущать жар, холод и прикосновение является основополагающей для выживания и лежит в основе нашего взаимодействия с окружающим миром. В повседневной жизни мы принимаем эти ощущения как должное, но каким образом происходит возбуждение нервных импульсов, чтобы мы могли почувствовать температуру и давление? Ответ на этот вопрос дали лауреаты Нобелевской премии в области медицины за 2021 год.

Дэвид Джулиус использовал капсаицин – вещество, содержащееся в перце чили и вызывающее ощущение жжения – чтобы обнаружить конкретный сенсор в нервных окончаниях, реагирующий на тепло. В свою очередь, Ардем Патапутян использовал чувствительные к давлению клетки, чтобы открыть новый класс сенсоров, реагирующих на механические раздражители в коже и внутренних органах. Прорывные открытия лауреатов 2021 года положили начало интенсивным исследованиям, которые быстро расширяют понимание механизмов восприятия нашей нервной системой тепла, холода и механических раздражителей. Джулиус и Патапутян обнаружили важные недостающие звенья в нашем понимании сложного взаимодействия между нашими органами чувств и окружающей средой.

Как мы воспринимаем мир?

Одной из величайших загадок человечества был вопрос сенсорного восприятия окружающей среды. 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 внутри носа и рта, генерируя запах и вкус. У нас есть и другие способы восприятия окружающего мира. Представьте, что вы идете босиком по газону 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.

В 17 веке философ Рене Декарт вообразил нити, соединяющие различные части кожи с мозгом. С их помощью прикосновение ступни к открытому пламени посылает в мозг механический сигнал (рис. 1). Более поздние открытия показали существование специализированных сенсорных нейронов (нервных клеток), которые регистрируют изменения в окружающей среде. Так Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер в 1944 году получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за открытие различных типов сенсорных нервных волокон, реагирующих на различные раздражители, например, в ответ на болезненное и безболезненное прикосновение. С тех пор было показано, что нервные клетки в высшей степени специализированы для обнаружения и передачи различных типов стимулов, что позволяет детально воспринимать наше окружение. Например, у нас есть способность ощущать различия в текстуре поверхностей кончиками пальцев или умение различать приятное тепло и болезненное жжение.

До открытий Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутяна 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?

Twitter Нобелевского комитета

Рис. 1. Иллюстрация, изображающая, представление философа Рене Декарт о том, как тепло посылает в мозг механические сигналы.

Наука накаляется

Во второй половине 1990-х годов Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, США, увидел большие научные перспективы, проанализировав, как химическое соединение капсаицин вызывает ощущение жжения, которое мы испытываем при контакте с перцем чили. На тот момент уже было известно, что капсаицин активирует нервные клетки, вызывая болевые ощущения, но то, каким образом это химическое вещество в действительности приводит в действие эту функцию, оставалось неразгаданной загадкой. Джулиус и его коллеги создали библиотеку из миллионов фрагментов ДНК, соответствующих генам, которые экспрессируются в сенсорных нейронах, способных реагировать на боль, тепло и прикосновения. Ученые предположили, что эта их библиотека будет включать фрагмент ДНК, кодирующий белок, способный реагировать на капсаицин. Они 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 этому жгучему веществу (рис. 2). Ген восприятия капсаицина был открыт! Дальнейшие эксперименты показали, что обнаруженный ген кодирует новый белок ионного канала (канала передачи ионов между клеткой и окружающей средой), и этот недавно открытый рецептор капсаицина позже получил название TRPV1. Когда Джулиус исследовал способность белка реагировать на тепло, он понял, что обнаружил чувствительный рецептор, который активируется при температуре, воспринимаемой как болезненная (рис. 2).

Twitter Нобелевского комитета

Рис. 2 Дэвид Джулиус использовал капсаицин из перца чили для идентификации TRPV1, ионного канала, активируемого болезненным теплом. Были идентифицированы дополнительные связанные ионные каналы, и теперь мы понимаем, как разные температуры могут вызывать электрические сигналы в нервной системе.

Открытие TRPV1 стало большим научным прорывом, приведшим к обнаружению дополнительных рецепторов, чувствительных к температуре. Независимо друг от друга и Дэвид Джулиус, и Ардем Патапутян использовали химическое вещество ментол для обнаружения TRPM8 – рецептора, который, как было показано, активируется холодом. Были установлены и дополнительные ионные каналы, относящиеся к TRPV1 и TRPM8, в также ученым удалось установить, что они активируются в диапазоне различных температур. Многие лаборатории проводили исследовательские программы по изучению роли этих каналов в восприятии тепла с использованием генетически модифицированных мышей, у которых отсутствовали эти недавно открытые гены. Открытие Дэвидом Джулиусом TRPV1 стало прорывом, который позволил нам понять, как разница в температуре может вызывать электрические сигналы в нервной системе.

Исследования под давлением

Пока исследование механизмов восприятия температуры продвигались вперед, 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. Ардем Патапутян, работающий в Scripps Research в Ла-Хойя, Калифорния, США, задался целью установить эти неуловимые рецепторы, которые активируются механическими стимулами.

Патапутян и его сотрудники впервые определили линию клеток, которая испускала измеримый электрический сигнал, когда на отдельные клетки нажимали при помощи микропипетки. Предполагалось, что рецептор, активируемый механическим воздействием, представляет собой ионный канал, и на следующем этапе были идентифицированы 72 гена-кандидата, возможно кодирующие этот рецептор. Все эти гены по очереди "выключали" 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 нажатию микропипеткой. Таким перебором был открыт новый и совершенно неизвестный механочувствительный ионный канал, получивший название Piezo1 от греческого слова, обозначающего давление (píesh; píesi). Благодаря его сходству с Piezo1 был открыт и второй ген, названный Piezo2. Оказалось, что сенсорные нейроны экспрессируют высокие уровни Piezo2, и дальнейшие исследования твердо установили, что Piezo1 и Piezo2 представляют собой ионные каналы, которые непосредственно активируются при механическом давлении на клеточные мембраны (рис. 3).

Twitter Нобелевского комитета

Рис. 3 Патапутян использовал культивированные механочувствительные клетки для обнаружения ионного канала, активируемого механической силой. После кропотливой работы Piezo1 был идентифицирован. На основании его сходства с Piezo1 был обнаружен второй ионный канал (Piezo2).

За прорывом Патапутяна последовала серия статей от его исследовательской группы и других групп, в которых демонстрировалось, что ионный канал Piezo2 является ключевым для чувства осязания. Более того, было показано, что Piezo2 играет ключевую роль в критически важном восприятии положения и движения собственного 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.

Все имеет смысл

Революционные открытия каналов TRPV1, TRPM8 и Piezo лауреатами Нобелевской премии этого года позволили нам понять, как тепло, холод и механическая сила могут возбуждать нервные импульсы, позволяющие нам воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему. Каналы TRP играют центральную роль в нашей способности воспринимать температуру. Канал Piezo2 дает нам осязание и способность чувствовать положение и движение частей нашего тела. TRP и пьезоканалы также участвуют в многочисленных дополнительных физиологических функциях, которые зависят от ощущения температуры или механических стимулов. 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 (рис. 4).

Twitter Нобелевского комитета

Рис. 4 Основополагающие открытия лауреатов Нобелевской премии этого года объяснили, как тепло, холод и прикосновение могут инициировать сигналы в нашей нервной системе. Выявленные ионные каналы важны для многих физиологических процессов и болезненных состояний.

Источник: 112.ua

Новости партнеров

Loading...

Виджет партнеров