范小治 謝陽 唐逸泉
1932年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主謝靈頓爵士(Sir C. S. Sherrington)在他發(fā)表于1906年的經(jīng)典神經(jīng)生理學著作《神經(jīng)系統(tǒng)的整合作用》中,把感覺器官分為三類:外感受器,介導如視覺、聽覺、嗅覺及觸覺等感覺;內(nèi)感受器,感知身體里各種內(nèi)臟器官活動及變化;本體感受器,存在于肌、腱、關節(jié)等運動器官中感知身體的位置、姿態(tài)和動作。感覺信息在被人體的感受器接收后,會通過神經(jīng)通路傳遞到大腦中與感覺有關的區(qū)域,大腦再對感覺信息進行處理和整合,信息得以被感知。自1911年瑞典眼科醫(yī)生古爾斯特蘭德(A. Gullstrand)因闡述人眼成像的屈光原理獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎開始,至今共有7次諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒給了與感覺系統(tǒng)相關的研究,視覺、嗅覺、觸覺等多種感覺的分子受體相繼被發(fā)現(xiàn),感覺系統(tǒng)的運作原理逐漸被闡釋。
自古以來,中國人對飲食的口味常以“五味”概括——“酸、甜、苦、辣、咸”。辣味與其他四味有什么區(qū)別呢?早在1940年代,匈牙利科學家楊索(N. Jancsó)便發(fā)現(xiàn)了作為辣椒的活性物質(zhì)——辣椒素在疼痛中的作用:如果給小鼠、大鼠、豚鼠和狗等動物抹辣椒素,可以讓它們之后變得對包括辣椒素在內(nèi)的可引起疼痛的化學刺激物不敏感,提示辣椒素可以特異性地影響負責感知疼痛的傷害性感受神經(jīng)元,使其脫敏,因此辣椒素有作為鎮(zhèn)痛藥物的潛力。楊索的發(fā)現(xiàn)很重要,可因為政治原因,那時來自東歐的科學研究很難在西方的學術期刊上得以發(fā)表,且因為他的發(fā)現(xiàn)在當時很有顛覆性(會引起疼痛的辣椒素可用來鎮(zhèn)痛),他也有些疲于應付審稿人,所以在他生前,他的研究發(fā)現(xiàn)基本都是以會議報告的形式公布,直到他死后才由他的妻子和助手整理發(fā)表。他的發(fā)現(xiàn)不僅證明傷害性感受神經(jīng)元可以被藥理學干預,而且揭示了這些神經(jīng)元在疼痛感知之外的功能(因為可以通過辣椒素特異性清除傷害性感受神經(jīng)元來研究它們的功能)。因此,辣,其實并不是一種味覺,而是一種痛覺。
那么,辣椒里的辣椒素是怎么引起痛覺的呢?這個難題就是由朱利葉斯解決的。朱利葉斯(D. Julius)1955年出生于美國紐約,1977年大學畢業(yè)于美國麻省理工學院,1984年博士畢業(yè)于加州大學伯克利分校,導師為索納(J. Thorner)教授和因研究蛋白質(zhì)囊泡運輸而獲得2013年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的謝克曼(R. Schekman)教授。謝克曼的導師科恩伯格(A. Kornberg)是1959年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主,以及導師的導師[科恩伯格的三位導師是1947年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主科里夫婦(C. F. Cori, G. T. Cori),和與他同年得獎的奧喬亞(S. Ochoa)]都是諾貝爾獎得主。朱利葉斯算是他所在學術譜系里第四代諾貝爾獎得主。隨后,他加入哥倫比亞大學進行博士后研究,導師是因發(fā)現(xiàn)嗅覺感受器而獲得2004年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的阿克塞爾(R. Axel)教授。
博士后階段,他利用一種DNA克隆技術——表達克?。╡xpression cloning)發(fā)現(xiàn)了五羥色胺受體1c[1],這也是他后來用于尋找辣椒素受體的方法。這種方法就是在細胞中通過基因表達的載體,來構建能產(chǎn)生基因編碼蛋白的表達克隆文庫,每個克隆表達一種蛋白質(zhì),然后篩選該表達文庫的某種目標特性,以發(fā)現(xiàn)目標克隆用于進一步分析。
1990年,朱利葉斯加入加州大學舊金山分校建立了自己的實驗室,開展獨立研究工作至今。當時盡管已經(jīng)知道辣椒素可特異性地作用于傷害性感受神經(jīng)元引起的痛覺,可對辣椒素在傷害性感受神經(jīng)元里的靶向受體是什么,依然未知。
我們的軀體感覺系統(tǒng)里面有一個很關鍵的結構叫背根神經(jīng)節(jié),皮膚下的神經(jīng)末梢會把辣或者熱的信號轉化為電信號,傳遞到背根神經(jīng)節(jié)。當時已經(jīng)知道背根神經(jīng)節(jié)的感覺神經(jīng)元對辣椒素敏感,所以朱利葉斯和他的博士后卡特林那(M. Caterina)就把大鼠的背根神經(jīng)節(jié)取出來,再把里面的RNA提取出來制備了一個cDNA文庫,然后把這個文庫里的DNA片段一批批放到一種原來對辣椒素不敏感的細胞里面去。他們假設辣椒素反應是由單個基因介導的,只要把這個基因放到原來對辣椒素不敏感的細胞里,就可以讓這些細胞變得對辣椒素敏感。他們測試了16 000多個DNA片段,最終發(fā)現(xiàn)一個辣椒素受體基因——VR1(vanilloid receptor 1)。進一步的研究發(fā)現(xiàn),該基因編碼的蛋白質(zhì)屬于TRP(transient receptor potential)通道蛋白家族(這是一類在外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布很廣泛的通道蛋白,有超過30個成員),因此這個蛋白又稱TRPV1。雖然知道吃辣會帶給我們一種“火”辣辣的感覺,但起初他們也沒有想到熱和辣的感覺會是由同一個受體分子介導的。他們試了各種各樣的刺激,令人驚訝地發(fā)現(xiàn),TRPV1這個蛋白不僅可以被辣椒素激活,還會被43℃以上的熱溫度激活[2]。隨后朱利葉斯課題組和英國一家藥廠的進一步研究都發(fā)現(xiàn),缺乏TRPV1的小鼠幾乎沒有炎癥引發(fā)的熱痛覺過敏,提示TRPV1對于炎癥狀態(tài)下的疼痛感知很關鍵[3,4]。不過,TRPV1的缺乏并沒有導致正常狀態(tài)下傷害性熱感覺的完全缺失,這說明必然還有其他熱感受器的存在??茖W家把目光轉向其他TRP通道蛋白,最終發(fā)現(xiàn)TRPM3和TRPA1與TRPV1共同介導了傷害性熱刺激的感受[5]。
朱利葉斯的開創(chuàng)性工作揭開了人類感受溫度和痛覺的分子機理。離子通道如同細胞膜上的一道閘門,它的開關控制著離子進出細胞。TRPV1受體作為一類特殊的離子通道,特異性表達于傷害性感受神經(jīng)元,當有辣椒素或者高溫刺激時,TRPV1通道的閘門就會打開,細胞膜外的陽離子通過其進入細胞,造成細胞膜內(nèi)外的電壓變化。這便會產(chǎn)生神經(jīng)沖動,沿著神經(jīng)纖維傳導,最終把信號傳遞到大腦皮層。后續(xù)的大量研究發(fā)現(xiàn),各種引起炎癥或者疼痛的信號都能激活或者敏化TRPV1,因此,TRPV1除了被認為是傷害性熱刺激或者辣椒素感受器之外,也是疼痛信號的關鍵處理器,所以大量實驗室和藥物公司都在以TRPV1為靶點研發(fā)鎮(zhèn)痛藥物。
“多年以后,面對行刑隊,奧雷里亞諾·布恩迪亞上校將會想起父親帶他去見識冰塊的那個遙遠的下午?!痹谛≌f《百年孤獨》中,讓一位族長式的人物在臨死前仍記憶猶新的,竟然是第一次接觸冰塊時,手上每一根神經(jīng)給他帶來的異樣感覺,以至于讓他驚呼:“它在燒!”。這里涉及另一種溫度感覺——冷感覺。
朱利葉斯通過辣椒素發(fā)現(xiàn)了熱感覺的分子受體TRPV1以后,他想用類似策略尋找冷感覺的分子受體。他們聯(lián)想到會讓人覺得“涼”絲絲的薄荷,于是開始尋找薄荷的提煉物——薄荷醇的分子受體。與尋找辣椒素受體的表達克隆策略一樣,他們假設薄荷醇反應也是由單個基因介導的,只要把這個基因放到原來對薄荷醇不敏感的細胞里,就可以讓這些細胞變得對薄荷醇敏感。他們測試了從三叉神經(jīng)里提取制備的cDNA文庫中的1萬多個DNA片段,最終發(fā)現(xiàn)了與TRPV1同屬TRP通道家族的薄荷醇受體TRPM8[6],并進一步證明TRPM8也是介導生理冷感覺的冷感受器[7]。
那時候,帕塔普蒂安(A. Patapoutian)也開始進行研究。與朱利葉斯相比,帕塔普蒂安的經(jīng)歷則要坎坷一些。他1967年出生于黎巴嫩首都貝魯特,是家中三個孩子里最小的一個。黎巴嫩從1975年到1990年一直在內(nèi)戰(zhàn),他在貝魯特美國大學上了一年大學后就被軍隊抓了。幾個月后,18歲的他以難民身份來到美國洛杉磯。剛到美國的第一年,他過得很艱辛,為了生存,他打工送披薩,還每周幫當?shù)匾患襾喢滥醽唸蠹垖懶亲\勢賺錢。后來他獲得了加州大學洛杉磯分校的錄取通知,重啟大學生活。在大學里,為了獲得教授的推薦信去申請醫(yī)學院,他加入倫吉爾(J. A. Lengyel)的果蠅發(fā)育生物學實驗室學習分子生物學。當?shù)弥x研究生可以拿到每個月1000美元的津貼(多么樸素的理由?。闳粭夅t(yī)從理,申請去加州理工學院讀博士,導師是沃爾德(B. Wold)教授。1996年,他加入朱利葉斯所在的加州大學舊金山分校進行博士后研究,導師是賴卡特(L. Reichardt)教授。2000年,帕塔普蒂安加入位于南加州圣地亞哥的斯克里普斯研究所,建立了自己的實驗室,開展獨立研究工作至今。受到熱感受器TRPV1發(fā)現(xiàn)的啟發(fā),他對尋找冷感受器也充滿了興趣,幾乎是同時,帕塔普蒂安的實驗室也發(fā)現(xiàn)了TRPM8是冷感受器。
“觸覺先于視覺,先于語言。它是最初之語也是最后之語,它從不說謊(Touch comes before sight, before speech. It is the first language and the last, and it always tells the truth)?!?加拿大著名小說家、詩人阿特伍德(M. Atwood)在她的小說《盲眼刺客》(The Blind Assassin)里如此描述觸覺。發(fā)現(xiàn)新的溫度感受器后,帕塔普蒂安沒有停下探索的腳步,開始把目光移向機械力感受器。他和他的博士后科斯特(B. Coste)首先找到了一種特殊的細胞,這種細胞會對機械力有反應,當用一個玻璃電極去戳這個細胞時,細胞會產(chǎn)生一個微小的電流,并能夠被特殊的電生理儀器——膜片鉗系統(tǒng)采集到。然后,他們挑選了300多個在這類細胞里高表達的膜蛋白基因,用RNA干擾技術一一抑制這些候選基因的表達,再觀測細胞對機械力刺激的電反應有無變化。當篩到第72個基因時,他們觀察到細胞受機械力刺激產(chǎn)生的電流極大地減小了,這意味著該基因對于細胞機械力感受反應是必需的。他們給這個基因起名“Piezo1”,Piezo 源自希臘語的“壓力”[8]。隨后,通過基因序列比對,發(fā)現(xiàn)這個基因所在家族中還有另外一個成員“Piezo2”,并通過后續(xù)一系列研究,證明Piezo2基因編碼介導觸覺和本體感覺的機械力感受器[9,10]。
Piezo分子可以表達在包括感覺神經(jīng)元、血管內(nèi)皮細胞、紅細胞、平滑肌細胞、上皮細胞以及成骨細胞等多種細胞類型中,參與身體內(nèi)各種組織器官和生理過程的機械力感知。其中,Piezo1參與血管發(fā)育、紅細胞體積調(diào)節(jié)、骨骼生成和修復、腸蠕動和結腸炎等多種生理病理過程。而Piezo2則是初級感覺神經(jīng)元和皮膚感受器細胞(如Merkel細胞,一種位于神經(jīng)末梢的樹枝狀細胞)上的機械力感受器,除了介導觸覺和本體感覺以外,Piezo2還能介導被敏化的機械痛覺,以及呼吸調(diào)節(jié)和排尿的生理過程。肺鼓脹到一定程度,分布在肺部的感覺神經(jīng)可感知肺牽拉,把信號傳遞給大腦,調(diào)整呼吸節(jié)奏,這種對肺牽拉的機械力感知就是Piezo2介導的;膀胱充盈產(chǎn)生尿意,Piezo2幫助感覺神經(jīng)元感知膀胱充盈產(chǎn)生的機械力刺激。
受新冠疫情影響,新冠疫苗研究的相關成果成為很多人預想中今年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的獲獎熱點,而結果使大家覺得今年的諾獎項目“爆冷”;即使朱利葉斯和帕塔普蒂安認為自己遲早會獲獎,他們自己可能也沒想到今年會獲獎。所以,兩位教授獲知自己得獎的方式都很有趣。由于時差,頒獎委員會公布結果的時間,對于身處美國加州的朱利葉斯和帕塔普蒂安都不算友好(半夜兩點半),兩位教授都沒在第一時間接到頒獎委員會的電話。朱利葉斯先是收到來自他嫂子的信息:“瑞典有個叫佩爾曼(委員會總秘書)的人找到了我,想給你打電話,我不想把你的電話號碼給他,但我在網(wǎng)上搜了下,他似乎還挺靠譜的,所以我要了他的電話,你可以自己打回去?!敝炖~斯的太太英格勒厄姆(H.Ingraham)也是加州大學舊金山分校的教授,她認識佩爾曼,于是他們決定給他回個電話,看看是否是她熟悉的聲音。電話打通了,確實是。但是電話那邊的佩爾曼說他只能聊三分鐘了,因為再過五分鐘,他就要去開新聞發(fā)布會宣布這個消息,他們可以自己上網(wǎng)看直播。于是朱利葉斯和太太一起泡了杯咖啡,在廚房看起了直播。而帕塔普蒂安教授則是先接到了自己住在洛杉磯的92歲老父親的電話,告訴他頒獎委員會因為打不通他的手機(晚上開了免打擾模式),找到了自己。幸運的是,他父親知道怎么繞過免打擾模式找到他。
科學家們對TRP通道和Piezo通道的研究,從分子水平上揭開了人體感知溫度和機械力的神秘面紗,雖然戴上諾獎皇冠的人只有朱利葉斯和帕塔普蒂安二位,但研究成果的背后也離不開相關領域內(nèi)諸多其他科學家的貢獻。其中,兩位華人科學家的研究工作,都起到了舉足輕重的作用,一位是朱利葉斯多年的合作伙伴、加州大學舊金山分校的程亦凡教授,他解析了包括TRPV1在內(nèi)的多個TRP通道的分子結構;另一位是帕塔普蒂安曾經(jīng)的博士后、現(xiàn)就職于清華大學藥學院的肖百龍教授,他解析了Piezo1和Piezo2通道的分子結構。他們的工作,為我們理解溫度和機械力感受器是如何工作的,提供了關鍵信息,在此也應當被銘記。
[1]Julius D, MacDermott A B, Axel R, et al. Molecular characterization of a functional cDNA encoding the serotonin 1c receptor. Science, 1988, 241: 558-564.
[2]Caterina M J, Schumacher M A, Tominaga M, et al. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature, 1997, 389: 816-824.
[3]Caterina M J, Leffler A, Malmberg A B, et al. Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science, 2000, 288: 306-313.
[4]Davis J B, Gray J, Gunthorpe M J, et al. Vanilloid receptor-1 is essential for inflammatory thermal hyperalgesia. Nature, 2000, 405: 183-187.
[5]Vandewauw I, De Clercq K, Mulier M, et al. A TRP channel trio mediates acute noxious heat sensing. Nature,2018, 555: 662-666.
[6]McKemy D D, Neuhausser W M, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature,2002, 416: 52-58.
[7]Bautista D M, Siemens J, Glazer J M, et al. The menthol receptor TRPM8 is the principal detector of environmental cold. Nature, 2007, 448: 204-208.
[8]Coste B, Mathur J, Schmidt M, et al. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science, 2010, 330: 55-60.
[9]Ranade S S, Woo S H, Dubin A E, et al. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature, 2014, 516: 121-125.
[10]Woo S H, Lukacs V, de Nooij J C, et al. Piezo2 is the principal mechanotransduction channel for proprioception. Nat Neurosci, 2015, 18: 1756-1762.
關鍵詞:離子通道 熱感受器 冷感受器 痛覺感受器機械力感受器 ■
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