辣椒|2021年诺贝尔生理学或医学奖成果解读生理学|DNA|基因|离子通道

科普：神经细胞如何感知温度和触碰——2021年诺贝尔生理学或医学奖成果解读
新华社北京10月4日电(采访人员张莹)人类对温度和触碰的感知能力对生存至关重要，这种能力支撑了人类与周围世界的互动。能够感知温度和触碰的神经脉冲是如何产生的？2021年诺贝尔生理学或医学奖得主戴维·朱利叶斯和阿德姆·帕塔普蒂安的工作帮助人类洞悉了其中的机理。
长久以来，人类对感知能力背后的机理充满好奇心，并提出过各种假说。约瑟夫·厄兰格和赫伯特·加瑟两位科学家曾发现，不同类型的感觉神经纤维可以对不同的刺激——例如对疼痛和非疼痛触碰——做出反应，两人因此获得1944年诺贝尔生理学或医学奖。自那时起，科学家发现神经细胞是高度专业化的，不同分工的神经细胞可以探测和转导不同类型刺激，并使人类能感知到周围环境的细微差别。
然而，在朱利叶斯和帕塔普蒂安的发现之前，人类对神经系统如何感知环境的理解仍然存在一片空白区域：温度和触碰如何在神经系统中转化为电脉冲？
20世纪90年代后期，在美国加利福尼亚大学旧金山分校工作的戴维·朱利叶斯通过分析辣椒素如何使人产生灼热感而取得重大进展。朱利叶斯和他的同事创建了一个由数百万个DNA(脱氧核糖核酸)片段组成的基因库，这些DNA片段与能对疼痛、热和触碰做出反应的感觉神经元中表达的基因相对应。朱利叶斯和他的同事推测，该基因库中应该包含一个DNA片段，它能编码一种可以对辣椒素做出反应的蛋白质。
经过艰苦的搜索，朱利叶斯和他的同事终于发现了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因。该基因编码了一种新的离子通道蛋白，这种对辣椒素敏感的蛋白被命名为TRPV1 。当朱利叶斯进一步研究TRPV1蛋白对热的反应能力时，他意识到自己发现了一种对热敏感的受体，这种受体在机体感觉到疼痛的温度下能被激活。
TRPV1的发现使人们了解到温度差异如何在神经系统中诱发电信号，该发现还引领了其他对温度敏感受体的研究之路。此后，朱利叶斯和帕塔普蒂安分别独立利用化学物质薄荷醇发现了一种能被寒冷激活的受体TRPM8 。
为了解释机械刺激如何转为触觉，在美国斯克里普斯研究所工作的帕塔普蒂安希望找出被机械刺激激活的受体。帕塔普蒂安和他的同事首先发现了一种细胞系，当其中单个细胞被微管戳到时，该细胞系会发出可测量的电信号。他们随后筛选并鉴定出72个候选基因，通过将这些基因逐个关闭，成功识别出一个对机械刺激敏感的基因。当该基因关闭后，细胞对被微管戳到的压力不再敏感。
帕塔普蒂安和他的同事发现的是一种全新的压力敏感离子通道，他们将其命名为Piezo1 。这个词来源于希腊语中的“压力”一词。根据与Piezo1的相似性，帕塔普蒂安和他的同事还发现了第二种与压力感知相关的离子通道，并将其命名为Piezo2 。研究还发现，通过对细胞膜施加压力， Piezo1和Piezo2离子通道可以被直接激活。帕塔普蒂安以及其他团队在此基础上发表了一系列论文，证明了Piezo2离子通道对触觉至关重要，此外还在身体位置和运动感知方面发挥着关键作用。
朱利叶斯和帕塔普蒂安的工作还有助于理解与感知温度或机械刺激相关的许多其他的生理功能。例如， Piezo1和Piezo2通道可以调节血压、呼吸和膀胱控制等重要生理过程。相关成果正在被用于开发治疗慢性疼痛等疾病的疗法。
【辣椒|2021年诺贝尔生理学或医学奖成果解读】