探索人類溫度感覺和觸覺機(jī)制
——解讀2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?

陳佳鈺 王予涵 黃佳浩 王首占 李 燕，3，4 初 明，3，4 王月丹，3，4??

（1 北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 北京 100191 2 北京大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080 3 國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)醫(yī)學(xué)免疫學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100191 4 北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心病原與免疫綜合實(shí)驗(yàn)室 北京 100191）

對(duì)于世界的認(rèn)識(shí)，是推動(dòng)人類社會(huì)和文明發(fā)展的主要力量，是人類戰(zhàn)勝和征服大自然的基礎(chǔ)。但人類是如何感受外界信號(hào)并對(duì)世界產(chǎn)生認(rèn)識(shí)的？這一直是科學(xué)家關(guān)心和致力研究的熱點(diǎn)課題。

在當(dāng)今科學(xué)界最高榮譽(yù)諾貝爾獎(jiǎng)的120年歷史上，曾經(jīng)有6 次授予與感覺相關(guān)的研究。它們分別是視覺感受器（瑞典學(xué)者古爾斯特蘭德對(duì)眼睛屈光性機(jī)制的研究，1911年獲獎(jiǎng)）、平衡位置感受器（奧地利學(xué)者巴拉尼對(duì)前庭器官的研究，1914年獲獎(jiǎng)）、聽覺感受器（美國(guó)學(xué)者貝凱西因?qū)Χ佄锢泶碳C(jī)制的研究，1961年獲獎(jiǎng)）、視覺形成的機(jī)制（美國(guó)學(xué)者哈特蘭、沃爾特和瑞典學(xué)者格拉尼特對(duì)視網(wǎng)膜功能暨視覺形成的生理化學(xué)機(jī)制的研究，1967年獲獎(jiǎng)）、視覺信息的產(chǎn)生（美國(guó)學(xué)者休伯爾和瑞典學(xué)者威塞爾對(duì)視覺在大腦皮層中信號(hào)形成作用的研究，1981年獲獎(jiǎng)）和嗅覺感受器（美國(guó)學(xué)者阿克塞爾和巴克對(duì)嗅覺器官和氣味受體的研究，2004年獲獎(jiǎng)）。

2021年10月，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)第7 次將諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了有關(guān)感覺的研究。但這一次的獎(jiǎng)勵(lì)并不是授予了有關(guān)眼睛、耳朵和鼻子這三大感受器的研究，而是給予了有關(guān)辣椒和壓力的研究。2021年10月4日，美國(guó)科學(xué)家朱利葉斯和帕塔博蒂安共同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)谌祟悳囟雀杏X和觸覺機(jī)制中的研究貢獻(xiàn)[1]。

1 揭示感受熱與痛的機(jī)制從辣椒開始

要了解人類對(duì)溫度的感覺，特別是對(duì)熱的感覺，不得不談及辣椒。在英文中，形容食物熱或味道辣，都可用“HOT”一詞，二者是有天然淵源的。

辣椒是當(dāng)今各國(guó)人民都廣泛食用的一種食材，其不僅含有豐富的維生素C，而且火辣的味道更是令許多人喜愛甚至上癮。食用辣椒后，人們會(huì)感受到辣味，而這并不是一種味覺，因?yàn)槿祟惿囝^的味蕾只能感受酸、甜、苦、咸4 種味道，辣味本質(zhì)上是一種灼燒而導(dǎo)致的痛覺。這種灼燒的痛覺甚至可使人體大腦誤認(rèn)為受到了傷害，產(chǎn)生出具有止痛作用的內(nèi)啡肽，導(dǎo)致出現(xiàn)欣快感，這可能也是一些人對(duì)辣椒上癮的部分原因。

食用辣椒后，人體為什么會(huì)感到辣味或有灼燒的痛感？這是因?yàn)槔苯泛幸环N被稱為辣椒素的生物堿，分子式為C18H27NO3，化學(xué)名稱為反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺，是具有香草素基團(tuán)的化學(xué)物質(zhì)[2]。雖然，早在19世紀(jì)后期至20世紀(jì)早期，人們通過一系列的分離與化學(xué)研究，已知辣椒素是產(chǎn)生辣味的主要活性成分，并獲得了其準(zhǔn)確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但并不清楚引起辣味感覺的確切機(jī)制。

隨著現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到人體對(duì)世界的感受和認(rèn)識(shí)，是通過感受器獲得信號(hào)，再通過傳入神經(jīng)元傳導(dǎo)進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，從而引起感覺。在脊椎動(dòng)物中，傳入神經(jīng)元的細(xì)胞胞體部分，主要集中于背根神經(jīng)節(jié)（dorsal root ganglion，DRG）和三叉神經(jīng)節(jié)中，主要傳導(dǎo)來自身體各處及頭面部各個(gè)部位感受器對(duì)溫度、機(jī)械性或化學(xué)性刺激等多種信號(hào)[3]。其中，位于DRG 的許多神經(jīng)元是人體感受痛覺、機(jī)械性損傷、過冷和過熱等傷害性刺激信號(hào)的傳入神經(jīng)元。與熱和痛相關(guān)的辣味感覺神經(jīng)元是否也是DRG 的神經(jīng)元？

為回答這個(gè)問題，1997年，朱利葉斯團(tuán)隊(duì)將DRG 神經(jīng)元表達(dá)的mRNA 分子逆轉(zhuǎn)錄為cDNA 片段，并建立了cDNA 文庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，將DRG 的cDNA 文庫(kù)中的基因片段轉(zhuǎn)染到對(duì)溫度或其他傷害性刺激無反應(yīng)的工程細(xì)胞——HEK293 細(xì)胞中，并通過特異性的鈣流觀察染料Fura-2 進(jìn)行檢測(cè)，以確定轉(zhuǎn)染哪些基因片段，可使HEK293 細(xì)胞獲得包括辣椒素在內(nèi)的多種傷害性刺激信號(hào)進(jìn)行反應(yīng)的能力[4]。

通過篩選性的研究，朱利葉斯發(fā)現(xiàn)，辣椒素能激活一種被稱為辣椒素受體或香草素受體-1（vanilloid receptor 1，VR1）的分子，從而使轉(zhuǎn)染過編碼該分子基因的HEK293 細(xì)胞出現(xiàn)鈣離子流動(dòng)等被活化的現(xiàn)象[5]。經(jīng)DNA 序列分析，VR1 屬于瞬時(shí)感受器電位受體（transient receptor potential,TRP）超家族的成員，被命名為TRPV1分子。TRPV1分子可被熱刺激所激活，當(dāng)溫度超過43℃時(shí)，動(dòng)物可出現(xiàn)退縮反應(yīng)，但若敲除TRPV1 的編碼基因，這種對(duì)熱的退縮反應(yīng)則消失。

自從TRPV1 分子被發(fā)現(xiàn)后，人們對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了深入研究。TRPV1 分子是一種由配體結(jié)合控制的非選擇性陽(yáng)離子通道蛋白。當(dāng)辣椒素等物質(zhì)與TRPV1 受體結(jié)合時(shí)，可導(dǎo)致鈉離子和鈣離子等陽(yáng)離子進(jìn)入至細(xì)胞內(nèi)，引起一系列的生物學(xué)效應(yīng)，以感知傷害性刺激信號(hào)。2013年，朱利葉斯及其合作者采用冷凍電子顯微鏡技術(shù)解析了TRPV1 的分子結(jié)構(gòu)。該分子是一個(gè)6 次跨膜蛋白，不同的胞外結(jié)構(gòu)，可導(dǎo)致其感知不同的傷害性刺激信號(hào)。例如，鳥類的TRPV1 和哺乳動(dòng)物的TRPV1 分子在第2～4 跨膜區(qū)存在差異，雖然都可介導(dǎo)對(duì)熱的感覺，但鳥類卻感受不到辣椒素的刺激，這正是雞在食用辣椒籽之后感到辣而不會(huì)退縮的主要原因。

TRPV1 主要分布于發(fā)出無髓鞘的C 類神經(jīng)纖，以及部分薄髓鞘的A 神經(jīng)纖維的可感知傷害性刺激的傳入神經(jīng)元上，可被刺激性化學(xué)物質(zhì)辣椒素等芳香草醛化合物、熱刺激（>43℃）和酸刺激（pH<6.0）等傷害性刺激因素所活化，觸發(fā)其末梢釋放神經(jīng)肽類和興奮性氨基酸等神經(jīng)遞質(zhì)，引起大腦皮層的痛覺形成，將傷害性刺激信息傳入至中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，使機(jī)體對(duì)這種傷害作出回避等反應(yīng)，這對(duì)機(jī)體提高生存能力是非常重要的。

TRPV1 不僅可介導(dǎo)機(jī)體對(duì)于接觸刺激性化學(xué)物質(zhì)和灼燒等物理性損傷而導(dǎo)致的痛覺形成，參與能對(duì)機(jī)體進(jìn)行警示并作出保護(hù)性反應(yīng)的急性疼痛的形成；而且還可參與關(guān)節(jié)炎癥[6]、惡性腫瘤[7]及胃腸等內(nèi)臟疾病[8]導(dǎo)致的病理性疼痛過程。炎癥過程、惡性腫瘤生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的腫瘤壞死因子、胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF-1）、內(nèi)源性甲醛和H 離子等，均可上調(diào)TRPV1 的表達(dá)或敏感程度，而引起或加重疼痛的癥狀[8]。例如，甲醛可通過ERK、P38、JNK 和PI3K 信號(hào)通路，上調(diào)DRG 中TRPV1 的表達(dá)而提高機(jī)體對(duì)于痛覺的敏感程度[7]。朱利葉斯發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用TRPV1 抑制劑磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）能緩解惡性腫瘤動(dòng)物模型中對(duì)癌癥疼痛的敏感性。

鑒于此，TRPV1 是一個(gè)研究疼痛機(jī)制和開發(fā)止痛藥物的重要目標(biāo)分子，通過鈍化TRPV1 的敏感度，可用于止痛、鎮(zhèn)痛。由于TRPV1 分布廣泛、作用機(jī)制復(fù)雜，目前為止，還沒有以該分子為靶點(diǎn)的藥物通過臨床3 期試驗(yàn)而上市。與之相反，由于辣椒素可通過TRPV1 的作用，使人和動(dòng)物感受到強(qiáng)烈的傷害性刺激，辣椒素可作為噴霧劑驅(qū)逐猛獸或違法犯罪分子。

隨著人們對(duì)TRPV1 及其作用機(jī)制的深入研究，越來越多的類似功能受體被發(fā)現(xiàn)和克隆。例如，可感受更高溫度（超過53℃）的熱感覺受體分子VRL-1/TRPV2，但不會(huì)對(duì)辣椒素和較低溫度（超過42℃）發(fā)生反應(yīng)，可感受薄荷成分的刺激及冷感覺（低于26℃）的受體分子TRPM8/CMR1，還有能對(duì)芥子油成分刺激進(jìn)行反應(yīng)的TRPA1 等，均被一一發(fā)現(xiàn)[9-10]。這些成果使人類對(duì)于溫度和疼痛感覺的形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)逐漸清晰。

2 觸碰而感受世界萬物的機(jī)制

與朱利葉斯共同分享諾貝爾獎(jiǎng)的另一位科學(xué)家，對(duì)溫度和疼痛感覺受體TRPM8 和TRPA1 的研究也作出了非常大的貢獻(xiàn)。2002年，帕塔博蒂安利用生物信息學(xué)的方法得到了TRPM8 分子，通過鈣離子成像技術(shù)，證實(shí)該分子可介導(dǎo)細(xì)胞對(duì)冷刺激和薄荷醇產(chǎn)生反應(yīng)，隨后又證實(shí)，敲除該基因可導(dǎo)致小鼠的冷感覺功能受到影響。2008年，帕塔博蒂安克隆出在皮膚角質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)的對(duì)非傷害性刺激進(jìn)行反應(yīng)的TRPV3 和可對(duì)冷刺激（溫度低于20℃）及大蒜提取物（或芥子油成分）進(jìn)行反應(yīng)的受體TRPA1/ANKTM1[4]。其實(shí)，在我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中使用的用于治療過敏性哮喘的三伏（九）貼，就是利用芥子等中藥中的芥子油成分刺激皮膚角質(zhì)細(xì)胞的受體而發(fā)揮作用的。

在后續(xù)的研究中，帕塔博蒂安又有了更為重要的發(fā)現(xiàn)。在研究TRPA1 時(shí)，帕塔博蒂安及其合作者發(fā)現(xiàn)，線蟲和果蠅中也存在TRPA1 分子的表達(dá)，并且可介導(dǎo)其對(duì)溫度的感受。利用此發(fā)現(xiàn)，Kindt 等揭示TRPA1 可介導(dǎo)果蠅的時(shí)空感覺和線蟲對(duì)于機(jī)械物理性刺激的感覺過程。雖然Viswanath 等證實(shí)，TRPA1 介導(dǎo)的對(duì)物理機(jī)械刺激發(fā)生感覺的作用在小鼠等高等動(dòng)物中并不存在，但這卻使帕塔博蒂安對(duì)研究機(jī)械性刺激引起的觸覺形成產(chǎn)生了濃厚的興趣[4,11]。

2010年，帕塔博蒂安在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，通過RNA 干擾（RNAi）敲減小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系Neuro2A 的基因，并利用膜片鉗技術(shù)，通過電極測(cè)量細(xì)胞對(duì)于機(jī)械性刺激產(chǎn)生的電流反應(yīng)強(qiáng)度，可用于篩選出能介導(dǎo)感受機(jī)械力變化形成觸覺的受體分子。

利用這種篩選系統(tǒng)，帕塔博蒂安在73 個(gè)候選基因中逐一進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)Fam38A基因編碼的產(chǎn)物可介導(dǎo)細(xì)胞對(duì)于機(jī)械刺激的電流反應(yīng)，于是將這個(gè)產(chǎn)物命名為Piezo（拉丁文“壓力”一詞的英文音譯）分子[12]。Piezo 家族包括2 個(gè)通道蛋白受體分子成員，Piezo1 和Piezo2，具有感受機(jī)械性刺激的能力。若將這2 個(gè)基因表達(dá)水平進(jìn)行敲減，即可明顯降低細(xì)胞對(duì)于機(jī)械性刺激的反應(yīng)性電流強(qiáng)度，而將其在本身不能對(duì)機(jī)械性刺激產(chǎn)生反應(yīng)的細(xì)胞中，則可讓這種細(xì)胞獲得對(duì)機(jī)械性刺激的反應(yīng)能力。2014年，帕塔博蒂安等還發(fā)現(xiàn)Piezo2 在皮膚表皮的Merkel 細(xì)胞和神經(jīng)元中介導(dǎo)了觸覺的形成過程。

受帕塔博蒂安研究工作的啟示，研究者在Piezo1/2 的研究領(lǐng)域中進(jìn)行了大量工作，對(duì)其功能和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也越來越明確。在動(dòng)物體內(nèi)的研究發(fā)現(xiàn)，觸覺的形成感受相關(guān)組織中Piezo1/2 的表達(dá)量也較高，而Piezo2 還參與介導(dǎo)了本體感覺（位置深感覺）的形成。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展又從結(jié)構(gòu)分析的角度支持了Piezo1/2 分子對(duì)于觸覺形成的作用。

目前普遍認(rèn)為，Piezo1/2 分子在各種物種中都具保守性。在脊椎動(dòng)物中，Piezo1 具有廣泛的生物學(xué)功能，不僅參與介導(dǎo)觸覺的形成，而且參與心肌細(xì)胞的收縮[13]、骨骼的生成與再生修復(fù)[14]和腫瘤細(xì)胞的遷移[15]等重要的生理及病理生理學(xué)過程；Piezo2 則直接參與介導(dǎo)觸覺、本體感覺和對(duì)內(nèi)臟機(jī)械力感知的過程[16]。

3 啟示與展望

對(duì)溫度、疼痛和機(jī)械性刺激的感受，是機(jī)體感覺世界萬物存在的基本能力。揭示觸覺、痛覺和溫度感覺形成的作用機(jī)制，有利于了解人類認(rèn)識(shí)世界能力的形成和范圍邊際，也可用于對(duì)人類感覺和認(rèn)識(shí)能力的升級(jí)與優(yōu)化，提升人類認(rèn)識(shí)自然和征服自然的能力，這也是諾貝爾獎(jiǎng)120年歷史上7 次眷顧神經(jīng)系統(tǒng)感覺形成研究領(lǐng)域的理由，因?yàn)槿祟悓?duì)于認(rèn)識(shí)和了解自身能力的需要和興趣是推動(dòng)生命科學(xué)發(fā)展的重要?jiǎng)恿υ慈弧?/p>

在朱利葉斯和帕塔博蒂安的研究中，使用了生物信息學(xué)分析、cDNA 文庫(kù)轉(zhuǎn)染及篩選、RNAi 基因敲減和冷凍電鏡結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析等現(xiàn)代生物科學(xué)技術(shù)，從分子結(jié)構(gòu)到功能研究的速度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前生物醫(yī)學(xué)研究中的進(jìn)展速度，使復(fù)雜的溫度、疼痛與觸覺感受的機(jī)制能在較短的時(shí)間內(nèi)被基本闡明，這標(biāo)志著人類對(duì)生命科學(xué)的研究能力正在不斷地提升。相信在不久的未來，會(huì)有越來越多的復(fù)雜生命現(xiàn)象被人類所認(rèn)知，從而推動(dòng)人類社會(huì)和文明的更大發(fā)展，造福人類。