Наша способность ощущать тепло, холод и прикосновения необходима для выживания и лежит в основе нашего взаимодействия с окружающим миром. В повседневной жизни мы воспринимаем эти ощущения как должное, но как инициируются нервные импульсы, чтобы можно было воспринимать температуру и давление? Этот вопрос был решен лауреатами Нобелевской премии этого года.
Дэвид Джулиус использовал капсаицин, острое соединение из перца чили, которое вызывает ощущение жжения, чтобы идентифицировать рецептор в нервных окончаниях кожи, который реагирует на тепло. Ардем Патапутян использовал чувствительные к давлению клетки, чтобы открыть новый класс рецепторов, которые реагируют на механические раздражители в коже и внутренних органах. Эти прорывные открытия положили начало интенсивной исследовательской деятельности, приведшей к быстрому углублению нашего понимания того, как нервная система воспринимает тепло, холод и механические раздражители. Лауреаты определили важнейшие недостающие звенья в нашем понимании сложного взаимодействия между нашими органами чувств и окружающей средой.
Как мы воспринимаем мир?
Одна из величайших загадок, стоящих перед человечеством, - это вопрос о том, как мы ощущаем окружающий нас мир. Механизмы, лежащие в основе наших чувств, на протяжении тысячелетий вызывали любопытство, например, как свет воспринимается глазами, как звуковые волны влияют на наши органы слуха и как различные химические соединения взаимодействуют с рецепторами в нашем носу и рту, создавая ощущения запаха и вкуса. У нас также есть другие способы восприятия окружающего мира. Представьте, что вы идете босиком по лужайке в жаркий летний день. Вы можете почувствовать тепло солнца, ласку ветра и отдельные травинки под вашими ногами. Эти впечатления от температуры, прикосновения и движения необходимы для нашей адаптации к постоянно меняющемуся окружению.
В 17 веке философ Рене Декарт представил себе нити, соединяющие различные части кожи с мозгом. Таким образом, нога, прикасающаяся к открытому пламени, посылает механический сигнал в мозг (рис. 1). Более поздние открытия показали существование специализированных сенсорных нейронов, которые регистрируют 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 стимулы, например, в ответ на болезненное и безболезненное прикосновение. С тех пор было продемонстрировано, что нервные клетки являются высокоспециализированными для обнаружения и передачи различных типов стимулов, позволяя тонко воспринимать наше окружение; например, наша способность чувствовать различия в текстуре поверхностей кончиками пальцев или наша способность различать как приятное тепло, так и болезненное тепло.
До открытий Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутяна наше понимание того, как нервная система воспринимает и интерпретирует нашу окружающую среду, все еще содержало фундаментальный нерешенный вопрос: как температура и механические стимулы преобразуются в электрические импульсы в нервной системе?
Двигаемся дальше: наука накаляется!
Во второй половине 1990-х годов Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, США, увидел возможность для серьезных достижений, проанализировав, как химическое соединение капсаицин вызывает ощущение жжения, которое мы испытываем, когда соприкасаемся с перцем чили. Уже было известно, что капсаицин активирует нервные клетки, вызывая болевые ощущения, но как это химическое вещество на самом деле выполняло эту функцию, оставалось неразгаданной загадкой. Джулиус и его коллеги создали библиотеку из миллионов фрагментов ДНК, соответствующих генам, которые экспрессируются в сенсорных нейронах и которые могут реагировать на боль, тепло и прикосновения. Джулиус и его коллеги предположили, что 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 один ген, способный сделать клетки чувствительными к капсаицину (рис. 2).
Был найден ген, отвечающий за восприятие капсаицина! Дальнейшие эксперименты показали, что идентифицированный ген кодирует новый белок ионного канала, и этот недавно обнаруженный рецептор капсаицина позже был назван TRPV1. Когда Джулиус исследовал способность белка реагировать на тепло, он понял, что обнаружил чувствительный к теплу рецептор, который активируется при температурах, воспринимаемых как болезненные (рис. 2).
Открытие TRPV1 стало крупным прорывом, ведущим к раскрытию дополнительных рецепторов, чувствительных к температуре. Независимо друг от друга Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян использовали химическое вещество ментол для идентификации TRPM8, рецептора, который, как было показано, активируется холодом. Были идентифицированы дополнительные ионные каналы, связанные с TRPV1 и TRPM8, и установлено, что они активируются в диапазоне различных температур. Многие лаборатории проводили исследовательские программы по изучению роли этих каналов в тепловом ощущении, используя генетически модифицированных мышей, у которых отсутствовали эти недавно обнаруженные гены. Открытие Дэвидом Джулиусом TRPV1 стало прорывом, позволившим нам понять, как различия в температуре могут вызывать электрические сигналы в нервной системе.
Исследования под давлением!
В то время как механизмы ощущения температуры разворачивались, оставалось неясным, как механические стимулы могут быть преобразованы в наши чувства осязания и давления. Исследователи ранее обнаружили механические рецепторы у бактерий, но механизмы, лежащие в основе прикосновения у позвоночных, оставались неизвестными. Ардем Патапутян, работающий в Scripps Research в Ла-Хойе, Калифорния, США, хотел определить неуловимые рецепторы, которые активируются механическими стимулами.
Патапутян и его коллеги впервые идентифицировали клеточную линию, которая испускала измеримый электрический сигнал, когда отдельные клетки протыкали микропипеткой. Предполагалось, что рецептор, активируемый механической силой, является ионным каналом, и на следующем этапе было идентифицировано 72 гена-кандидата, кодирующих возможные рецепторы. Эти гены были инактивированы один за другим, чтобы обнаружить ген, ответственный за механочувствительность в исследуемых клетках. После напряженных поисков Патапутяну и его коллегам удалось идентифицировать единственный ген, выключение которого делало клетки нечувствительными к прикосновениям микропипеткой. Был открыт новый и совершенно неизвестный механочувствительный ионный канал, которому было дано название Piezo1, в честь греческого слова, обозначающего давление (í; píesi). Благодаря своему сходству с Piezo1 был обнаружен второй ген, названный Piezo2. Было обнаружено, что сенсорные нейроны экспрессируют высокие уровни Пьезо2, и дальнейшие исследования твердо установили, что Пьезо1 и Пьезо2 являются ионными каналами, которые непосредственно активируются при воздействии давления на клеточные мембраны (рис. 3).
Прорыв Патапутиана привел к серии работ его и других групп, демонстрирующих, что ионный канал Piezo2 необходим для осязания. Более того, было показано, что Piezo2 играет ключевую роль в критически важном ощущении положения и движения тела, известном как проприоцепция. В дальнейшей работе было показано, что каналы Piezo1 и Piezo2 регулируют дополнительные важные физиологические процессы, включая кровяное давление, дыхание и контроль мочевого пузыря.
Все это имеет смысл!
Новаторские открытия TRPV1, TRPM8 и пьезоканалов лауреатами Нобелевской премии этого года позволили нам 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 нашей способности воспринимать температуру. Канал Piezo2 наделяет нас чувством осязания и способностью чувствовать положение и движение частей нашего тела. TRP и пьезоканалы также способствуют многочисленным дополнительным физиологическим функциям, которые зависят от температуры восприятия или механических раздражителей. Интенсивные текущие исследования, основанные на открытиях, удостоенных Нобелевской премии в этом году, направлены на выяснение их функций в различных физиологических процессах. Эти знания используются для разработки методов лечения широкого спектра заболеваний, включая хроническую боль (рисунок 4).
