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新科诺奖得主的中国门生详解研究如何感知世界

日期:2021年10月05日 10:29 来源:澎湃新闻 作者:佚名

在炎热的夏天,赤脚走过一片草坪,你可以感受到太阳的热度、风的爱抚,还有脚下的草叶……这些对温度、触觉等的感知,对于我们人类适应不断变化的环境至关重要。

然而,我们究竟如何感知周遭?北京时间10月4日17时30分许,瑞典卡罗琳斯卡医学院在斯德哥尔摩宣布,将2021年诺贝尔生理学或医学奖授予戴维·朱利叶斯(David Julius)以及阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),以表彰他们在“发现温度和触觉感受器”方面作出的贡献。 上述两位诺奖得主就是在抽丝剥茧中解答上述问题。据诺贝尔奖的官方介绍,朱利叶斯利用辣椒素(一种来自辣椒的刺激性化合物,可引起灼热感)来识别皮肤神经末梢中对热有反应的传感器。帕塔普蒂安则使用压力敏感细胞发现了一类新型传感器,可以对皮肤和内部器官中的机械刺激做出反应。

“戴维·朱利叶斯是在1997年发现TRPV1,第一次找到了感觉温度的一个分子受体,然后阿登·帕塔普蒂安是在2010年,实验室接连发现了Piezo1和Piezo2,能介导机械力的刺激。”清华大学药学院长聘教授肖百龙在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)专访时表示,“这都是非常重要的生理功能,能够揭示它的分子机制是非常重要的。”

2007年至2012年,肖百龙曾在帕塔普蒂安实验室进行博士后研究,其见证了帕塔普蒂安实验室上述诺奖工作的研究过程,也在这一诺奖级工作发现后迅速跟进开展了相关的早期研究。“对于这两位科学家得奖,我不觉得惊喜,只是没想到这么快。”在接受澎湃新闻记者专访前,肖百龙刚刚给他的导师帕塔普蒂安发去了祝贺邮件。

美国科学院院士、加利福尼亚大学旧金山分校程亦凡教授对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示,“两位得奖者的工作都是基础研究,也说明基础研究,特别是开创性的基础研究的重要性!”他表示,两个实验室的合作已有十多年,2013年底,程亦凡和朱利叶斯合作发文,首次利用冷冻电镜技术解析近原子分辨率膜蛋白TRPV1结构。

朱利叶斯1955年出生于美国纽约。1984年,他在加州大学伯克利分校获得博士学位,随后在哥伦比亚大学进行博士后训练。朱利叶斯于1989年开始就职于加利福尼亚大学旧金山分校,现为该校教授。

帕塔普蒂安1967年出生于黎巴嫩贝鲁特。年轻时,他从饱受战争蹂躏的贝鲁特搬到美国洛杉矶,并于1996年获得了美国加州理工学院的博士学位,并于加利福尼亚大学旧金山分校完成博士后研究。自2000年以来,他是美国斯克里普斯研究所的科学家,目前为该中心教授。

温度和机械力是最基本的自然环境因素

“温度和机械力是自然环境中最基本的环境因素,你时时刻刻需要感受到你周围的温度,时时刻刻需要感知力。”肖百龙说,可能大家都已经太习以为常了,所以如果不是科研人员,一般的人可能都没有去关注这些。

放置到生活中,这些感知无处不在。肖百龙举例,如果你用手机刷屏,手指就要触摸到屏幕,实际上这就是一个机械感知的过程,“没有这样的感知你就无法实现,包括你对各种器具的使用,比如抓一支笔,这都是最基本的。”

肖百龙还提到核心的一点,即是我们身体的本体感知,即本体感受(proprioception)。“也就是所谓的‘第六感’,包括对身体位置和运动感知,都需要时时刻刻感知到,感知不到走路就走不稳,身体仪态就无法维持。”

然而,什么样的分子来介导类似这样的最基本的生命学过程?“解答这些问题,当然是非常重要。”

诺贝尔奖委员会对于此次获奖的官方解读中也写道,我们对热、冷和触觉的感知能力对生存至关重要,这也是我们与周围世界互动的基础。在日常生活中,我们认为这些感觉是理所当然的,但神经冲动是如何产生的,从而使温度和压力可以被感知?“人类面临的最大谜团之一是我们如何感知环境。”

实际上,对这一谜团的探索从未停歇。几千年来,人类一直存有好奇心,眼睛是如何感知光的,声波是如何影响我们的内耳的,不同的化合物又是如何与我们鼻子和口腔内的感受器相互作用,产生嗅觉和味觉的?

早在17世纪,哲学家笛卡尔(René Descartes)设想了将皮肤不同部位与大脑连接起来的线。这样,一只脚碰到明火就会向大脑发送一个机械信号。后来的发现则揭示了专门的感觉神经元的存在,它们记录了我们环境的变化。插图描述了哲学家勒内·笛卡尔想象中热量是怎样向大脑发送机械信号。
插图描述了哲学家勒内·笛卡尔想象中热量是怎样向大脑发送机械信号。
1944年,两位美国科学家约瑟夫·厄兰格(Joseph Erlanger)和赫伯特·加瑟(Herbert Gasser)获得了诺贝尔生理学或医学奖,他们发展了阴极射线示波器,可以记录神经纤维上微小的电位变化,即动作电位。这一方法学的进步,为深入细致的电生理研究打下了坚实基础。

然而,在朱利叶斯和帕塔普蒂安的发现之前,我们对神经系统如何感知环境,仍然存在着一个根本性的悬而未决的问题:在神经系统中,温度和机械刺激是如何转化为电脉冲的?辣椒的灼热,以及第72个候选基因的尝试

先从年纪更长的朱利叶斯说起。当我们碰到烧热的锅时,我们会下意识迅速缩手;当我们高烧40℃时,会感受到浑身难受……这种感受如何而来?

20世纪90年代后期,朱利叶斯通过分析化学化合物辣椒素是如何导致我们接触辣椒时产生灼烧感的,看到了解答问题的可能性。在此之前,人们已经知道,辣椒素可以激活神经细胞,引起疼痛感,但这种化学物质究竟是如何发挥这种功能的?仍是一个未解之谜。朱利叶斯创建了一个由数百万个DNA片段组成的文库,这些DNA片段与表达能对疼痛、热和触摸做出反应的感觉神经元中的基因相对应。

他们推测,该基因库中应该包含一个DNA片段,编码一种能够对辣椒素做出反应的蛋白质。经过艰苦的搜索,最终发现了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因,也就是说,辣椒素敏感基因已经找到了。

朱利叶斯等人进一步的实验表明,该基因编码了一种新的离子通道(即细胞膜上允许离子通过的通道)蛋白,这一新发现的辣椒素受体后来被命名为TRPV1。这种蛋白能被辣椒素特异地激活,更重要的是,当温度上升到42℃以上时,它同样能被激活。TRPV1的发现是一个重大突破。在之后的几年时间里,科学界又发现了其他几种TRP通道起着温度感受器的作用,它们有的被50多摄氏度高温激活,有的在30多摄氏度时就能开放,而有的却在温度降低到10多摄氏度时激活。

肖百龙提到,帕塔普蒂安实验室原来也是在做温度受体研究,“实际上在温度受体方面也做了很重要的贡献。”例如,在2002年,朱利叶斯实验室和帕塔普蒂安实验室分别在《细胞》(Cell)和《自然》(Nature)发文,各自独立地使用化学物质薄荷醇来识别TRPM8,这是一种证明能被凉爽激活的受体。

“帕塔普蒂安1999年到斯克里普斯研究所开始自己独立工作,就开始去鉴定发现这些温度分子受体,他实验室发现了多个温度分子受体,包括感觉凉爽的,也就是TRPM8,另外还有感受温热的TRPV3等。”

“发展到后面,领域里大家都在找机械力的分子受体,帕塔普蒂安实验室在这个领域占了先机。”实际上,朱利叶斯也在苦苦搜寻机械力分子受体,但最终无果。肖百龙表示,“机械力分子受体相对来说比较难做,因为它给刺激的方式我们在实验上比较难实现,而且很难通过高通量的方法去进行筛选,我们还没有这样的研究的手段。”2010年是时年43岁的帕塔普蒂安的丰收之年。其实验室首先从一种小鼠细胞入手,这种细胞能够将用移液管轻轻戳一下的微小力量,转换成可测量的电流。他们假设机械力激活的受体是一个离子通道,决定敲除候选离子通道基因中的一个(每批细胞中敲除一个不同的基因),通过观察哪批细胞突然失去了其触觉敏感性,确定相关基因。“主要负责这项工作的博士后Bertrand Coste比我稍晚一些进入实验室,当时他们在筛选基因时有500多个候选分子。”肖百龙提到这一细节。起初,研究团队认为只要花上几个月甚至几周的时间就能成功,最终在2009年年底研究团队才终于有了重要发现,他们用移液管戳了戳细胞,它们丝毫没有反应。这证明,某个力敏通道一定已经被敲除了。

“他做到了第72个候选分子,如果要做500个,可能还得做很多年,能不能坚持下去?”肖百龙笑称,“有一定的运气,但也和Coste本人的科研训练密不可分。”Coste曾回忆道,“那真是非常美好的一天。”

他们将这个小鼠基因命名为“Piezo1”,希腊语中是“压力”的意思,他们很快又发现了Piezo2。2010年,研究成果以“Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically-activated cation channels”为题发表在《科学》杂志上。这是机械力受体研究的高光时刻。

“大家都知道这是一个非常重要的发现。”肖百龙谈到,彼时他正在帕塔普蒂安实验室做温度受体研究,“这个出来以后,结合我博士阶段的研究背景,我立刻做了一个早期的工作,因为Piezo蛋白和其他的已知的通道都没有同源性,所以它是不是离子通道——就是负责离子通透的一个核心的孔道亚基,当时是不清楚的。”

2012年,Bertrand Coste 和肖百龙为共同第一作者,在《自然》发表了一项研究“Piezo Proteins Are Pore-forming Subunits of Mechanically Activated Channels”。“证明Piezo蛋白确实是机械激活离子通道最核心的部件,我比较早期介入了这方面的工作。”

治疗疾病:全新靶点下的全新药物

和领域内其他实验室一样,肖百龙还在继续进行着相关研究。明显的意义在于,科学界在TRPV1和Piezo方面的成果,尚未能转化成临床应用,惠及患者。

“比如说,Piezo通道现在已经很明确,它的突变会导致人类遗传疾病。Piezo2突变以后,触觉感知会缺失,本体感觉会缺失,就说你走路就走不稳了。另外也包括我们说的一种触摸痛,假设你手上有个伤口,这个伤口有发炎的话,你轻轻一摸会感到疼。”

肖百龙表示,触摸痛实际上在很多的疾病中都是非常重要的问题,“比如说癌症病患者,他最后疼痛非常剧烈,穿衣服脱衣服时对他身体的轻微摩擦都会导致剧烈的疼痛。”现在发现,如果Piezo2缺失的人,他这种触摸痛就丧失,意味着我们能够设计和开发药物,“可能癌症病患者或者关节炎病患者的疼痛,我们就可以去抑制住。”

类似的医疗前景可设想的很多,然而目前科学界仍有谜团需要解开。“实际上Piezo分子发现以后,我们实验室在近8年时间里,关注的一个核心问题就是,Piezo通道相当于一个转换器,它怎么把机械力转换成一个细胞能够感知到的或者是能够传递的一个电化学信号?”肖百龙表示,这个分子怎么样在分子水平上去实现这么一个过程?这是他们非常关注的核心问题,也是领域里需要去解决的一个最重要的问题。

肖百龙实验室希望能通过冷冻电镜技术获得更精细的结构,基于结构更深入地研究机制。“包括温度感受器TRPV1,它到底怎么感受温度,这个问题到目前为止也还没有完全被解决,但这些都是非常基础的问题,研究起来可能难度不一定比最早发现它们时难,但是需要很多的新研究手段和方法,也要大家持之以恒的研究,去把它搞清楚。”

这条路或许还需要很多年。“目前来说,Piezo蛋白实际上是非常复杂、非常难研究的一类蛋白,它的生化研究非常难,怎么样建立方法,然后把它的机制能够解释清楚,然后针对机制去进行相应的药物的开发和设计,实际上就显得很重要了。”

以Piezo1为例,它由2500多个氨基酸组成,重达300 KD,它共穿越细胞膜38次,几乎是破纪录的存在。“它是膜蛋白,蛋白是嵌在细胞膜里面的,一般来说,膜蛋白的表达会非常困难,把它纯化出来也很困难。”

肖百龙团队在2015年第一次报道了Piezo1的结构。此后,肖百龙和帕塔普蒂安等人又先后报道了更高分辨率结构。2019年,肖百龙团队又进一步获得了Piezo2的结构,其大小和形状与Piezo1类似。

“到现在为止,Piezo通道发现差不多10年,目前还没有可以用于临床的药物被发现。”肖百龙表示,“所以我们实验室也在致力于对它的药物进行发现和开发,但这个可能还需要时间,针对这样全新的靶点来进行全新的药物的设计和开发是非常困难的。”但这是其实验室的长期目标。

程亦凡也对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者谈及这一领域临床应用研究的难度。“TRPV1曾经被作为止痛的药物靶标进行过药物开发,但因为药物对体温调节造成影响而不成功。”他认为,对其结构和激活机理的研究也许可引导从某种新的角度的药物开发。

附:两位诺奖得主的关键学术成果

Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature 1997:389:816-824.

Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D. The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 1998:21:531-543.

Caterina MJ, Leffler A, Malmberg AB, Martin WJ, Trafton J, Petersen-Zeitz KR, Koltzenburg M, Basbaum AI, Julius D. Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science 2000:288:306-313

McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature 2002:416:52-58

Peier AM, Moqrich A, Hergarden AC, Reeve AJ, Andersson DA, Story GM, Earley TJ, Dragoni I, McIntyre P, Bevan S, Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell 2002:108:705-715

Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 2010:330: 55-60

Ranade SS, Woo SH, Dubin AE, Moshourab RA, Wetzel C, Petrus M, Mathur J, Bégay V, Coste B, Mainquist J, Wilson AJ, Francisco AG, Reddy K, Qiu Z, Wood JN, Lewin GR, Patapoutian A. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature 2014:516:121-125

Woo S-H, Lukacs V, de Nooij JC, Zaytseva D, Criddle CR, Francisco A, Jessell TM, Wilkinson KA, Patapoutian A. Piezo2 is the principal mechonotransduction channel for proprioception. Nature Neuroscience 2015:18:1756-1762

Ardem Patapoutian was born in 1967 in Beirut, Lebanon. In his youth, he moved from a war-torn Beirut to Los Angeles, USA and received a Ph.D. in 1996 from California Institute of Technology, Pasadena, USA. He was a postdoctoral fellow at the University of California, San Francisco. Since 2000, he is a scientist at Scripps Research, La Jolla, California where he is now Professor. He is a Howard Hughes Medical Institute Investigator since 2014.

原标题:独家专访|如何感知世界?新科诺奖得主的中国门生详解研究


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