我們?nèi)绾胃兄獰?、冷和?/h1>
2022-03-17 16:28:06范小治謝陽唐逸泉
科學 2022年1期 關鍵詞：離子通道
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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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。
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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。
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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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