В пресс-релизе, размещенном на официальном сайте Нобелевской премии, говорится, что 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 генерируются нервные импульсы, чтобы можно было почувствовать температуру и давление? Ответ на это вопрос и дали лауреаты Нобелевской премии этого года.
Дэвид Джулиус использовал капсаицин, жгучее вещество перца чили, которое вызывает ощущение жжения, чтобы обнаружить рецептор в нервных окончаниях кожи, который реагирует на тепло.
Ардем Патапутян открыл новый класс рецепторов, 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 нервная система воспринимает тепло, холод и механические раздражители. Лауреаты выявили важные недостающие звенья в понимании сложного взаимодействия между чувствами и окружающей средой.
Одна из великих загадок, с которой сталкивается человечество, - это вопрос о том, как мы ощущаем сигналы, поступающие из окружающей среды. Механизмы, лежащие в основе наших чувств, на протяжении тысячелетий вызывали огромный интерес, 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 ощущение запаха и вкуса. 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, дуновение ветра и отдельные травинки под ногами. Эти впечатления от температуры, прикосновения и движения необходимы для адаптации к постоянно меняющимся условиям окружающей среды.
Еще в 17 веке философ Рене Декарт представил сенсорную модель в виде нитей, соединяющих различные участки поверхности кожи с мозгом, наглядно продемонстрировав, что контакт ступни с открытым пламенем посылает в мозг механический сигнал. Дальнейшие исследования показали существование специализированных сенсорных нейронов, которые реагируют на 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 болезненные и неболезненные прикосновения. С тех пор было продемонстрировано, что нервные клетки в высокой степени специализируются на восприятии и передаче различных типов стимулов.
До открытий Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутиана 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, 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, 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 и могут реагировать на боль, тепло и прикосновения. После кропотливых поисков был идентифицирован единственный ген, кодирующий белок ионного канала, способный сделать клетки чувствительными к капсаицину. Он был назван TRPV1. Когда Джулиус исследовал способность этого белка реагировать на тепло, он понял, что обнаружил рецептор, чувствительный к теплу, который активируется при температурах, воспринимаемых как болезненные.
Оказалось, что TRPV1 активируется не только высокой температурой или капсаицином, но и высокой концентрацией протонов в ишемизированных тканях, и химическими соединениями, которые образуются во время воспаления. Иными словами, он выступает в роли интегратора молекулярных сигналов о критически высокой температуре и о воспалении. У мутантных мышей с дефицитом TRPV1 снижается не только тепловая чувствительность, но и чувствительность к боли, вызванной воспалением или онкозаболеванием.
Вслед за TRPV1 были открыты и другие ионные каналы, активируемые температурой. Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян независимо друг от друга использовали ментол для идентификации TRPM8 — рецептора, который активируется холодом. Затем были обнаружены и другие ионные каналы, родственные TRPV1 и TRPM8 и чувствительные к разным температурам и химическим сигналам. Например, «рецептор васаби» TRPA1 реагирует не только на васаби, но и на горчичное масло, чеснок и различные химические раздражители. А его активация химическим веществом, вырабатываемым при остеоартрите, вносит вклад в восприятии боли.
Итак, механизмы температурных ощущений были раскрыты, но оставалось неясным, как механические стимулы могут быть преобразованы в ощущение прикосновения.
Ардем Патапутян, и его сотрудники впервые обнаружили линию клеток, которая продуцировала измеримый электрический сигнал, когда единичную клетку придавливали кончиком микропипетки. Они идентифицировали 72 гена-кандидата, кодирующие потенциальные рецепторы (исходя их предположения, что это тоже будет ионный канал). Эти гены инактивировали один за другим и наконец обнаружили единственный ген, чье подавление делало клетки нечувствительными к прикосновениям. Новый механочувствительный ионный канал получил название Piezo1, от греческого слова, обозначающего давление. По сходству с Piezo1 был открыт ген второго канала - Piezo2.
В серии работ Патапутяна с коллегами и других групп было показано, что ионный канал Piezo2 необходим для осязания, более того он играет ключевую роль в проприоцепции, то есть ощущении положения и движения тела. Каналы Piezo1 и Piezo2 регулируют важные физиологические процессы, включая артериальное давление, дыхание и контроль мочевого пузыря. Людям с редким дефицитом Piezo2 трудно передвигаться в темноте.
Революционные открытия каналов TRPV1, TRPM8 и Piezo лауреатами Нобелевской премии этого года позволили понять, как тепло, холод и механическая сила могут инициировать нервные импульсы, которые позволяют нам воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему. Каналы TRP играют центральную роль в способности воспринимать температуру. Канал Piezo2 дает нам осязание и способность чувствовать положение и движение частей нашего тела. 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.
Источник: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release.
