2021诺贝尔生理或医学奖:身体感受冷热、触觉的科学解释



021诺贝尔生理或医学奖:身体感受冷热、触觉的科学解释"

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瑞典当地时间2021年10月4日11时30分(北京时间10月4日17时30分),诺贝尔奖委员会宣布将2021年生理学或医学奖颁发给美国生理学家David Julius与亚美尼亚裔美国神经科学家Ardem Patapoutian,以表彰他们发现了温度觉和触觉的受体。


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在我们的日常生活中,我们认为冷热、触觉的感受是理所当然的。但这些对人类生存至关重要的现象却没有科学的解释。神经系统如何感知和解释我们的环境?温度和机械刺激如何在神经系统中转化为电脉冲?神经冲动是如何启动,以感知温度和压力的?今年的诺贝尔奖得主David Julius和Ardem Patapoutian给出了这些基本问题的答案。


David Julius用辣椒素来识别皮肤神经末梢中对热有反应的传感器。Ardem Patapoutian 使用压敏细胞发现了一类新型受体,它可以对皮肤和内部器官中的机械刺激做出反应。这些突破性的发现开启了大量新的研究,使我们迅速提升了对自身的神经系统如何感知热、冷和机械刺激的认识。在理解我们的感官和环境之间复杂的相互作用上,这两位获奖者确定了关键的缺失环节。

通过辣椒素识别出温度受体
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上世纪90年代后期,人们已经知道,辣椒素能激活神经细胞,引发疼痛的感觉,但这种化学物质究竟是如何发挥这种功能的?David Julius看到了解决关键谜题的希望。他带领团队创建了一个由数百万个DNA片段组成的数据库,这些片段对应的基因在感觉神经元中表达,可以对痛、热和触摸做出反应。他们认为库中会包含一个DNA片段,能够编码对辣椒素产生反应的蛋白质。

他们在通常对辣椒素没有反应的培养细胞中表达了库中的单个基因。经过艰苦的搜索,确定了一个能够使细胞对辣椒素敏感的单一基因——辣椒素感应的基因被找到了! 进一步的实验显示,这个基因编码了一个新的离子通道蛋白。而新发现的辣椒素受体后来被命名为TRPV1。Julius意识到,他发现了一个热感应受体,当温度上升到让人疼痛的时候,就会被激活。

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现在,我们了解了不同的温度是如何在神经系统中诱发电信号的。

TRPV1的发现是一个重大突破,引领了解开其他温度敏感受体的道路。David Julius和Ardem Patapoutian各自独立地使用薄荷醇识别出TRPM8——一种能被寒冷激活的受体。另外还发现了与TRPV1和TRPM8相关的离子通道,并发现它们可以被一系列不同的温度激活。


货真价实的压力
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至于我们如何感受到“压力”,研究者并未得出脊椎动物的神经机制,只是在细菌中发现了机械性受体。斯克里普斯研究所的Ardem Patapoutian投入了该项研究中。他与合作者首先确定了一个细胞系,当细胞被微针刺中时,会发出电信号。因为他们推测被机械性外力刺激的受体是一个离子通道,并筛选出72种编码受体的候选基因。同样,经过大量的工作,Ardem Patapoutian最终确定了单一基因——该基因沉默时,会使细胞对微针的戳刺不敏感。

通过培养对机械压力敏感的细胞,一个全新的、能被机械力所激活的离子通道被发现了,命名为Piezo1,“Piezo”就是希腊语中的“压力”。接着他们又发现了另一个基因,可以被感觉神经元高水平表达,即Piezo2。他们确定了这也是离子通道,可以被细胞膜表面的压力激活。后续的研究发现,Piezo2对身体姿势和运动的感受也非常关键。Piezo1和Piezo2还被证明对生理过程有很大作用,包括血压、呼吸和膀胱控制等。

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在诺奖官方新闻稿中,他们用“It all makes sense!”来形容David Julius和Ardem Patapoutian的工作。他们对TRPV1、TRPM8和Piezo通道的突破性发现,使我们能够了解热、冷和机械力如何启动神经冲动,让我们感知和适应我们周围的世界。由这两位科学家的发现所带来的大量研究集中于阐明这些离子通道在各种生理过程中的功能,帮助我们开发慢性疼痛等各种疾病的治疗方法。

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David Julius,美国生理学家,加州大学旧金山分校教授。
 
Julius 出生于1955年,1977年本科毕业于麻省理工学院,1984年获得加州大学伯克利分校博士学位,1989年于哥伦比亚大学完成博士后项目。
 
Julius曾获得首届 Perl-UNC 神经科学奖(2000年),并获得2010 年度邵逸夫奖。2020 年度生命科学突破奖、 2020 年度 Kavli 神经科学奖(与 Ardem Patapoutian 一起)。


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Ardem Patapoutian,亚美尼亚裔美国分子生物学家、神经科学家。
 
Patapoutian 1967 年出生于黎巴嫩贝鲁特, 1986年移居美国,1990年于加州大学洛杉矶分校获得细胞和发育生物学学士学位,1996 年于加州理工学院获得生物学博士学位。博士后研究期间在加州大学旧金山分校与 Louis F. Reichardt 一起工作。2000 年,Patapoutian成为斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)助理教授,2014 年以来一直担任霍华德休斯医学研究所 (HHMI) 的研究员。
 
2016 年,Patapoutian入选美国科学促进会会士, 2017 年入选美国国家科学院院士, 2020 年入选美国艺术与科学院院士。另外, Patapoutian还获得了2017 年度 W. Alden Spencer 奖, 2019 年度Rosenstiel 奖, 2020 年度 Kavli 神经科学奖和 BBVA 基金会生物学/生物医学知识前沿奖。


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