Нобелевская неделя традиционно стартовала с объявления результатов в номинации «Физиология и медицина». Имена года в области биомедицинской науки — Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян. Они стали обладателями Нобелевской премии за открытие рецепторов, позволяющих нам воспринимать температуру и прикосновения.
На самом деле эти открытия были сделаны более 10 лет назад, но только в последнее время мировое сообщество осознало их ценность для современной науки. Разбор механизма, с помощью которого нервная система человека воспринимает внешние раздражители, оказался настолько важным, что в минувшем году дуэт ученых был удостоен престижной премии Кавли (научная премия, учрежденная норвежским филантропом Фредом Кавли в 2007 году, по призовому фонду (1 млн долларов) практически равна Нобелевской (1,1 млн долларов)), вручаемой один раз в 2 года за выдающиеся достижения в астрофизике, нанотехнологиях и неврологии.
«Лауреаты нынешнего года позволили наконец разобраться, как температура или механическая сила инициирует нервные импульсы, которые дают нам возможность воспринимать мир и адаптироваться в нем», — говорится в заявлении Нобелевского комитета.
До открытий Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутяна пониманию того, как нервная система воспринимает и интерпретирует сигналы из окружающей среды, препятствовал фундаментальный нерешенный вопрос: каким образом температура и механические стимулы превращаются в электрические импульсы в нервной системе?
Американский физиолог, профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско, получил известность как исследователь ноцицепции (возникновение ощущений боли и тепла). Член Национальной академии наук США и Американской академии наук и искусств. Кстати, родился Джулиус в семье эмигрантов из России.
Работает в Калифорнии, в медицинском институте Говарда Хьюза. Но сам уроженец Бейрута (Ливан). Его лаборатория занимается изучением ионных каналов, которые активируются изменениями тепловой энергии и таким образом функционируют как молекулярные термометры человеческого организма.
Из истории вопроса
В 17-м веке философ Рене Декарт описывал нити, якобы соединяющие различные участки кожи с мозгом. Именно с их помощью прикосновение, например, ступни к открытому пламени посылает в мозг механический сигнал. Более поздние открытия показали существование специализированных сенсорных нейронов, которые регистрируют изменения в окружающей среде.
Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1944 году за открытие различных типов сенсорных нервных волокон, которые реагируют на различные раздражители, например, в ответ на болезненное и безболезненное прикосновение. С тех пор было продемонстрировано, что нервные клетки в высшей степени специализированы для обнаружения и передачи различных типов стимулов, что позволяет воспринимать окружение в мельчайших деталях; отсюда, например, наша способность ощущать различия в текстуре поверхностей кончиками пальцев или отличать приятное тепло от болезненного.
Знание под нагревом
Дэвид Джулиус в конце 1990-х годов проанализировал, как химическое соединение капсаицин вызывает ощущение жжения, которое мы испытываем при контакте с перцем чили. Уже было известно, что капсаицин активирует нервные клетки, вызывая болевые ощущения, но то, как именно это химическое вещество проявляет данную функцию, оставалось загадкой. Джулиус и его сотрудники создавали библиотеку из миллионов фрагментов ДНК, соответствующих генам, экспрессирующимся в сенсорных нейронах, которые могут реагировать на боль, тепло и прикосновения. Было сделано предположение, что библиотека обязательно будет включать фрагмент ДНК, кодирующий белок, способный реагировать на капсаицин. Ученые экспрессировали отдельные гены из этой коллекции в культивируемых клетках, которые обычно не реагируют на капсаицин.
В результате кропотливых поисков был идентифицирован единственный ген, способный сделать клетки чувствительными к капсаицину. Так был обнаружен ген восприятия капсаицина. Дальнейшие эксперименты показали, что идентифицированный ген кодирует новый белок ионного канала, чуть позже этот рецептор капсаицина был назван TRPV1. Когда Джулиус исследовал способность белка реагировать на тепло, то понял, что именно он обнаружил: рецептор, чувствительный к теплу, который активируется при температуре, воспринимаемой как болезненная.
Открытие TRPV1 стало крупным прорывом и привело к обнаружению дополнительных рецепторов, чувствительных к температуре. Независимо друг от друга Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян использовали химическое вещество ментол для идентификации TRPM8 — рецептора, который, как было показано, активируется холодом. Были идентифицированы дополнительные ионные каналы, относящиеся к TRPV1 и TRPM8, и выяснилось, что они активируются в диапазоне различных температур.
Многие лаборатории позднее занимались исследовательскими программами по изучению роли этих каналов в тепловых ощущениях с использованием генетически модифицированных мышей, у которых отсутствовали эти недавно идентифицированные гены. Но именно открытие Дэвидом Джулиусом TRPV1 стало тем самым прорывом, который позволил нам понять, как разница в температуре может вызывать электрические сигналы в нервной системе.
Исследование под давлением
Пока изучались механизмы температурных ощущений, неясным было и то, как механические стимулы могут быть преобразованы в ощущения прикосновения/давления. Ранее исследователи обнаружили механические сенсоры у бактерий, но механизмы, лежащие в основе прикосновения у позвоночных, оставались нераскрытыми. Ардем Патапутян, работающий в исследовательской лаборатории Scripps Research в Ла-Хойя, Калифорния, хотел определить неуловимые рецепторы, которые активируются механическими стимулами.
Ардем Патапутян и его сотрудники впервые определили линию клеток, которая испускала измеряемый электрический сигнал при протыкании отдельных клеток микропипеткой. Появилась гипотеза, что рецептор, активируемый механической силой, представляет собой ионный канал, и на следующем этапе были идентифицированы 72 гена-кандидата, кодирующие возможные рецепторы. Эти гены инактивировали один за другим, чтобы обнаружить тот, который ответственен за механочувствительность в исследуемых клетках.
Так удалось идентифицировать единственный ген, чье подавление делало клетки нечувствительными к прикосновениям микропипетки. Был открыт новый и совершенно неизвестный механочувствительный ионный канал, получивший название Piezo1 от греческого слова, обозначающего давление (píesi). А затем, благодаря сходству с первым, был идентифицирован и второй ген, названный Piezo2. Ученые обнаружили, что сенсорные нейроны экспрессируют высокие уровни Piezo2, а дальнейшие исследования показали: Piezo1 и Piezo2 представляют собой ионные каналы, которые непосредственно активируются при приложении давления на клеточные мембраны.
Прорывное открытие Патапутяна привело к появлению целой серии научных статей, написанных как его, так и другими исследовательскими группами, демонстрирующих, что ионный канал Piezo2 необходим для осязания. Более того, было установлено, что Piezo2 играет ключевую роль в критически важном восприятии положения частей собственного тела относительно друг друга и в пространстве, известном как проприоцепция. А в дальнейших работах показано, что каналы Piezo1 и Piezo2 регулируют дополнительные важные физиологические процессы, включая артериальное давление, дыхание и контроль мочевого пузыря.
Революционные открытия каналов TRPV1, TRPM8 и Piezo лауреатами Нобелевской премии этого года позволили наконец понять, как тепло, холод и механическая сила могут инициировать нервные импульсы, которые помогают нам воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему. Каналы TRP играют центральную роль в способности человека воспринимать температуру. Канал Piezo2 дает нам осязание и способность чувствовать положение и движение частей нашего тела.
TRP и Piezo также участвуют в многочисленных дополнительных физиологических функциях, которые зависят от ощущения температуры или механических стимулов.
Примечательно, что на основе открытий, удостоенных Нобелевской премии этого года, продолжаются интенсивные исследования, направленные на выяснение функций рецепторов в различных физиологических процессах. Эти знания используются сегодня для разработки методов лечения широкого спектра заболеваний, включая хроническую боль. А потенциально данные открытия могут быть применимы в самых неожиданных областях — вплоть до виртуальной реальности и роботостроения.