2021年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)諾獎(jiǎng)揭曉，官方解讀來(lái)了

文章來(lái)源：澎湃新聞

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發(fā)布時(shí)間：2021-10-05 17:29:57

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發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺(jué)感受器：兩名科學(xué)家獲得2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

澎湃新聞?dòng)浾?賀梨萍

戴維·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安獲2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)北京時(shí)間10月4日17時(shí)30分揭曉：花落溫度和觸覺(jué)感受器研究，兩名美國(guó)科學(xué)家獲獎(jiǎng)。而此前因新冠疫情呼聲極高的mRNA技術(shù)今年未能獲獎(jiǎng)。

在瑞典首都斯德哥爾摩卡羅琳醫(yī)學(xué)院，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)總秘書(shū)長(zhǎng)托馬斯·佩爾曼宣布，2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予戴維·朱利葉斯（David Julius）和阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），以表彰他們?cè)?ldquo;發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺(jué)感受器”方面作出的貢獻(xiàn)（for their discoveries receptors for temperature and touch）。

諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)表示，2位美國(guó)科學(xué)家的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)讓人們得以了解了熱、冷和外力接觸是如何啟動(dòng)神經(jīng)脈沖，使我們能夠感知和適應(yīng)周?chē)氖澜�。而這些知識(shí)被用于開(kāi)發(fā)治療包括慢性疼痛在內(nèi)的多種疾病的方法。

雖然大熱的mRNA技術(shù)未能獲獎(jiǎng)，但是此次獲獎(jiǎng)的領(lǐng)域也算不上爆冷，因?yàn)樯窠?jīng)領(lǐng)域同樣是近年來(lái)的熱門(mén)。

兩位獲獎(jiǎng)?wù)邔⒎窒?000萬(wàn)瑞典克朗獎(jiǎng)金（約合736萬(wàn)元人民幣）。

戴維·朱利葉斯（David Julius）是美國(guó)生理學(xué)家。他是加利福尼亞大學(xué)舊金山分校教授，曾獲邵逸夫生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），亞美尼亞裔，分子生物學(xué)家和神經(jīng)學(xué)家，在美國(guó)加利福尼亞州拉霍亞斯克里普斯研究所。

以下為諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)

對(duì)于此次獲獎(jiǎng)的官方解讀⬇⬇⬇

我們對(duì)熱、冷和觸覺(jué)的感知能力對(duì)生存至關(guān)重要，并鞏固了我們與周?chē)澜绲幕?dòng)。在日常生活中，我們認(rèn)為這些感覺(jué)是理所當(dāng)然的，但神經(jīng)沖動(dòng)是如何產(chǎn)生的，從而使溫度和壓力可以被感知？今年的2位諾貝爾獎(jiǎng)得主就是解決這些個(gè)問(wèn)題。

David Julius利用辣椒素(一種從辣椒中提取的刺激性化合物，能產(chǎn)生灼燒感)來(lái)識(shí)別皮膚神經(jīng)末梢上對(duì)熱做出反應(yīng)的感受器。

Ardem Patapoutian利用壓力敏感細(xì)胞發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)皮膚和內(nèi)部器官的機(jī)械刺激作出反應(yīng)的新型感受器。這些突破性的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了研究熱潮，使得我們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)如何感知熱、冷和機(jī)械刺激的理解迅速增加。兩位獲獎(jiǎng)?wù)咧赋�，在我們理解感官與環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用時(shí)，存在著關(guān)鍵的缺失環(huán)節(jié)。

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人類(lèi)面臨的最大謎團(tuán)之一是我們?nèi)绾胃兄h(huán)境的問(wèn)題。幾千年來(lái)，我們的感官機(jī)制一直在激發(fā)著我們的好奇心，例如，眼睛是如何感知光的，聲波是如何影響我們的內(nèi)耳的，以及不同的化合物是如何與我們鼻子和口腔內(nèi)的感受器相互作用，產(chǎn)生嗅覺(jué)和味覺(jué)的。

我們也有其他方式來(lái)感知我們周?chē)氖澜�。想象一下，在炎熱的夏天赤腳走過(guò)一片草坪，你可以感受到太陽(yáng)的熱量，風(fēng)的愛(ài)撫，還有腳下的草葉。這些對(duì)溫度、觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)的印象對(duì)于我們適應(yīng)不斷變化的環(huán)境至關(guān)重要。

在17世紀(jì)，哲學(xué)家笛卡爾(René Descartes)設(shè)想了將皮膚不同部位與大腦連接起來(lái)的線(xiàn)。這樣，一只腳碰到明火就會(huì)向大腦發(fā)送一個(gè)機(jī)械信號(hào)(圖1)。后來(lái)的發(fā)現(xiàn)揭示了專(zhuān)門(mén)的感覺(jué)神經(jīng)元的存在，它們記錄了我們環(huán)境的變化。

這幅插圖描述了哲學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾想象中熱量是怎樣向大腦發(fā)送機(jī)械信號(hào)。

約瑟夫·厄蘭格(Joseph Erlanger)和赫伯特·加瑟(Herbert Gasser)在1944年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了不同類(lèi)型的感覺(jué)神經(jīng)纖維，可以對(duì)不同的刺激做出反應(yīng)，例如，對(duì)疼痛和非疼痛觸摸的反應(yīng)。

從那時(shí)起，已經(jīng)證明神經(jīng)細(xì)胞是高度專(zhuān)業(yè)化的，用于檢測(cè)和轉(zhuǎn)導(dǎo)不同類(lèi)型的刺激，允許對(duì)我們周?chē)沫h(huán)境有細(xì)微的感知；例如，我們通過(guò)指尖感受表面紋理差異的能力，或者我們分辨令人愉悅的溫暖和令人痛苦的熱的能力。

在David Julius和Ardem Patapoutian的發(fā)現(xiàn)之前，我們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)如何感知和解釋我們的環(huán)境的理解仍然包含一個(gè)根本未解決的問(wèn)題：在神經(jīng)系統(tǒng)中，溫度和機(jī)械刺激是如何轉(zhuǎn)化為電脈沖的?然而，在大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安的發(fā)現(xiàn)之前，我們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)如何感知和解釋環(huán)境的理解仍然有一個(gè)基本的懸而未決的問(wèn)題：溫度和機(jī)械刺激是如何在神經(jīng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為電脈沖的？

科學(xué)升溫了!

在20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校的大衛(wèi)·朱利葉斯通過(guò)分析化學(xué)化合物辣椒素是如何導(dǎo)致我們接觸辣椒時(shí)產(chǎn)生灼燒感的，看到了重大進(jìn)展的可能性。

人們已經(jīng)知道，辣椒素可以激活神經(jīng)細(xì)胞，引起疼痛感，但這種化學(xué)物質(zhì)究竟是如何發(fā)揮這種功能的，仍是一個(gè)未解之謎。朱利葉斯和他的同事們創(chuàng)建了一個(gè)由數(shù)百萬(wàn)個(gè)DNA片段組成的文庫(kù)，這些DNA片段與表達(dá)能對(duì)疼痛、熱和觸摸做出反應(yīng)的感覺(jué)神經(jīng)元中的基因相對(duì)應(yīng)。

朱利葉斯和他的同事們推測(cè)，該基因庫(kù)中應(yīng)該包含一個(gè)DNA片段，編碼一種能夠?qū)苯匪刈龀龇磻?yīng)的蛋白質(zhì)。他們?cè)谂囵B(yǎng)的細(xì)胞中表達(dá)了通常對(duì)辣椒素沒(méi)有反應(yīng)的個(gè)體基因。經(jīng)過(guò)艱苦的搜索，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能夠使細(xì)胞對(duì)辣椒素敏感的基因(圖2)。辣椒素敏感基因已經(jīng)找到了!

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，該基因編碼了一種新的離子通道蛋白，這一新發(fā)現(xiàn)的辣椒素受體后來(lái)被命名為T(mén)RPV1。當(dāng)Julius研究這種蛋白質(zhì)對(duì)熱的反應(yīng)能力時(shí)，他意識(shí)到他發(fā)現(xiàn)了一種熱感受器，這種感受器在感覺(jué)疼痛的溫度下被激活。

大衛(wèi)·朱利葉斯使用辣椒中的辣椒素來(lái)識(shí)別TRPV1，這是一種由高溫激活的離子通道�，F(xiàn)在，我們能夠了解不同的溫度如何在神經(jīng)系統(tǒng)中誘導(dǎo)電信號(hào)。

TRPV1的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)重大突破，引領(lǐng)了解開(kāi)其他溫度敏感受體的道路。David Julius和Ardem Patapoutian各自獨(dú)立地使用化學(xué)物質(zhì)薄荷醇來(lái)識(shí)別TRPM8，一種被證明能被涼爽激活的受體。另外還發(fā)現(xiàn)了與TRPV1和TRPM8相關(guān)的離子通道，并發(fā)現(xiàn)它們可以被一系列不同的溫度激活。許多實(shí)驗(yàn)室通過(guò)使用缺乏這些新發(fā)現(xiàn)基因的工程老鼠來(lái)進(jìn)行研究，以研究這些通道在熱感覺(jué)中的作用。大衛(wèi)·朱利葉斯發(fā)現(xiàn)TRPV1是一項(xiàng)突破，它讓我們了解了溫度的差異是如何在神經(jīng)系統(tǒng)中誘發(fā)電信號(hào)的。

研究壓力！

雖然溫度感覺(jué)的機(jī)制正在逐步展開(kāi)，但機(jī)械刺激如何轉(zhuǎn)化為我們的觸覺(jué)和壓力感仍不清楚。此前，研究人員在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了機(jī)械感受器，但在脊椎動(dòng)物中，觸覺(jué)的潛在機(jī)制仍不清楚。Ardem Patapoutian在美國(guó)加州拉霍亞的斯克里普斯研究中心工作，他希望找出由機(jī)械刺激激活的難以捉摸的受體。

Patapoutian和他的同事首先發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)胞系，當(dāng)單個(gè)細(xì)胞被微管戳到時(shí)，它會(huì)發(fā)出可測(cè)量的電信號(hào)。假設(shè)機(jī)械力激活的受體是一個(gè)離子通道，在下一步中鑒定了72個(gè)編碼可能受體的候選基因。這些基因被逐個(gè)滅活，從而在被研究的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)力敏的基因。

經(jīng)過(guò)艱苦的研究，Patapoutian和他的同事們成功地識(shí)別出了一個(gè)基因，該基因的沉默使細(xì)胞對(duì)微管的戳不敏感。人們發(fā)現(xiàn)了一種全新的、完全未知的力敏離子通道，并將其命名為“Piezo1”，這個(gè)詞來(lái)源于希臘語(yǔ)中的“壓力”(í;piesi)。

通過(guò)與Piezo1的相似性，人們發(fā)現(xiàn)了第二種基因，并將其命名為“Piezo2”。我們發(fā)現(xiàn)感覺(jué)神經(jīng)元表達(dá)了高水平的Piezo2，進(jìn)一步的研究證實(shí)Piezo1和Piezo2是通過(guò)對(duì)細(xì)胞膜施加壓力直接激活的離子通道。

帕塔普提安使用培養(yǎng)的機(jī)械敏感細(xì)胞來(lái)識(shí)別由機(jī)械力激活的離子通道。經(jīng)過(guò)艱難的搜索，Piezo1和Piezo2兩個(gè)離子通道相繼被發(fā)現(xiàn)。

Patapoutian的這一突破促使他和其他團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一系列論文，證明了Piezo2離子通道對(duì)觸覺(jué)至關(guān)重要。此外，Piezo2被證明在重要的身體位置和運(yùn)動(dòng)感知，即本體感覺(jué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在進(jìn)一步的研究中，Piezo1和Piezo2通道被證明可以調(diào)節(jié)其他重要的生理過(guò)程，包括血壓、呼吸和膀胱控制。

今年的諾貝爾獎(jiǎng)得主對(duì)TRPV1、TRPM8和Piezo通道的突破性發(fā)現(xiàn)，讓我們了解了熱、冷和機(jī)械力如何觸發(fā)神經(jīng)沖動(dòng)，使我們感知和適應(yīng)周?chē)氖澜�。TRP通道是我們感知溫度能力的核心。Piezo2通道賦予我們觸覺(jué)和感知身體部位位置和運(yùn)動(dòng)的能力。TRP和Piezo通道還有助于許多額外的生理功能，依賴(lài)于感知溫度或機(jī)械刺激。來(lái)自今年諾貝爾獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)的深入研究集中在闡明它們?cè)诟鞣N生理過(guò)程中的功能。這一知識(shí)正被用于開(kāi)發(fā)各種疾病的治療方法，包括慢性疼痛。

今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)解釋了熱、冷和觸摸如何在我們的神經(jīng)系統(tǒng)中引發(fā)信號(hào)。識(shí)別出的離子通道對(duì)認(rèn)識(shí)許多生理過(guò)程和疾病狀況都很重要。

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