感覺解碼器的發(fā)現(xiàn)之旅
——2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎

王培培 楊 菲

(首都醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院神經(jīng)生物學系，北京 100069)

北京時間2021年10月4日，人們翹首以待的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭開了最后的謎底。有些出人意料的是，在新型冠狀病毒肺炎的預防和治療中大顯身手的mRNA疫苗技術并未獲得諾獎委員會的青睞，從而與這一年度諾貝爾獎失之交臂。最終，來自美國的生理學家David Julius和分子生物學家Ardem Patapoutian因在溫度感受器和觸覺感受器發(fā)現(xiàn)過程中做出的開創(chuàng)性工作，脫穎而出，一舉摘得了萬人矚目的諾貝爾獎。相較于新近大熱的mRNA疫苗技術，David Julius和Ardem Patapoutian的發(fā)現(xiàn)不僅經(jīng)受了時間的考驗，同時，他們的工作對于揭示人類感知外界冷熱溫度和觸覺壓力的生物學本質至關重要，因此,諾獎頒給這兩位科學家也是實至名歸。

1 獲獎者簡介

1.1 David Julius

David Julius(圖1)，美國生理學家，加州大學舊金山分校生理學及分子生物學教授。1955 年11月4日，David Julius出生于美國紐約市布魯克林的一個俄羅斯猶太家庭，1984 年于美國加州大學伯克利分校畢業(yè)并獲得博士學位，師從Jeremy Thorner和2013年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者Randy Schekman。而后，David Julius在另一位諾獎獲得者Richard Axel(2004年生理學或醫(yī)學獎)的指導下，在哥倫比亞大學進行了兩年的博士后研究。1989 年，David Julius入職加州大學舊金山分校開始了獨立的科研生涯。在獲得本次諾貝爾獎之前，David Julius已榮獲2000年度Perl-UNC神經(jīng)科學獎、2010年度邵逸夫獎、2020 年度科學突破獎和科維理神經(jīng)科學獎等多項知名科學獎項。

圖1 David Julius[1]

1.2 Ardem Patapoutian

Ardem Patapoutian(圖2)，黎巴嫩裔美國分子生物學家，美國霍華德休斯醫(yī)學研究所研究員。Ardem Patapoutian 1967 年出生于黎巴嫩貝魯特， 1986年移居美國，1990年在加州大學洛杉磯分校獲得本科學位，主修細胞和發(fā)育生物學。1996 年于加州理工學院獲得生物學博士學位。博士后研究期間在加州大學舊金山分校與 Louis F. Reichardt 一起工作。2000年，Patapoutian成為斯克里普斯研究所助理教授，2014 年以來一直擔任霍華德休斯醫(yī)學研究所 (HHMI) 的研究員。2016年，Ardem Patapoutian入選美國科學促進會會士，2017年當選美國國家科學院院士，2020年入選美國藝術與科學院院士。Ardem Patapoutian曾獲得2017年度 W. Alden Spencer 獎、2019年度Rosenstiel獎、2020年度科維理神經(jīng)科學獎等多項科學大獎。

圖2 Ardem Patapoutian[1]

2 主要科學貢獻

2.1 David Julius的主要科學貢獻

早在公元前5000年，瑪雅人就已經(jīng)開始食用辣椒，它也是人類種植的最古老的農(nóng)作物之一。人們在吃辣椒時往往會伴隨著灼熱，甚至是疼痛的感覺，這是因為辣椒中的辣椒素(capsaicin)能夠激活人體的傷害性初級感覺神經(jīng)元。但是，辣椒素究竟是通過何種受體來發(fā)揮功能卻一直不得而知。20世紀90年代后期，已經(jīng)在加州大學舊金山分校工作的 David Julius和他的同事利用能夠感知疼痛、熱和觸覺的背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元，從中提取并構建了一個包含數(shù)百萬個片段的cDNA文庫，他們認為在這個文庫里應當包含著可以編碼辣椒素受體的DNA片段。而后他們將這個cDNA文庫劃分成不同的組，每組大約包含16 000個基因，他們依次將這些組瞬時轉染到原本不能對辣椒素產(chǎn)生反應的HEK293細胞中。如果某組含有辣椒素受體的文庫被轉入細胞，那么這些細胞就能對辣椒素產(chǎn)生反應。經(jīng)過大量艱苦的篩選，David Julius確定了一個辣椒素感應基因，而該基因編碼了一種新的離子通道蛋白，這個新發(fā)現(xiàn)的辣椒素受體后來被命名為 TRPV1。更令人驚喜的是，TRPV1不僅能被辣椒素激活，同時也可以被43 ℃以上的高溫激活。這一偉大的發(fā)現(xiàn)，首次揭示了離子通道在物理化學刺激間的信號轉導作用，即辣椒素等天然化學物質刺激與溫度等物理刺激，可通過細胞膜上TRPV1通道統(tǒng)一轉化為電信號[2]，從分子層面為我們展現(xiàn)了軀體感受認知的最本質來源，更新了我們對軀體感受的認知，同時也為揭開其他溫度感應受體開辟了道路[3]。

2.2 Ardem Patapoutian的主要科學貢獻

隨著TRP家族成員中更多的溫度感受器被不斷發(fā)現(xiàn)，科學家對于脊椎動物溫度感知機制的解析已取得了眾多突破[2]。但是感知領域當中另外一個重要問題，即人體如何將機械刺激轉化為觸壓覺的蛋白分子機制還是未解之謎。在早期的研究[4]中，人們發(fā)現(xiàn)了細菌感知機械力的受體，但對于脊椎動物的觸覺機制仍知之甚少。Ardem Patapoutian的研究團隊[5-6]早期也曾在多個溫度感受器，例如TRPM8、TRPA1等的發(fā)現(xiàn)過程中取得重要成果，但隨后他們投入了更具挑戰(zhàn)性和更高難度的觸覺感受器解碼研究當中。他們首先對不同的細胞系進行篩選，最后發(fā)現(xiàn)N2A細胞被微針這種機械力刺激時，會產(chǎn)生可測量的電信號[7]。他們推測被機械力激活的感受器是一種離子通道受體，利用RNA profiling技術，他們確定了500多個候選基因。通過大量的實驗篩選，Ardem Patapoutian及其研究團隊最終發(fā)現(xiàn)一種全新的單一基因，當這種基因沉默時，細胞對微針的刺激不再敏感[7]。他們將其命名為Piezo1——希臘語表示“壓力”的詞匯。很快他們又發(fā)現(xiàn)了另外一個基因[7]，與Piezo1相似，可以被感覺神經(jīng)元高水平表達，即Piezo2。

基于上述的突破性研究成果，Patapoutian研究團隊及其合作伙伴發(fā)表了一系列高水平的科研論文，進一步探索了Piezo1和Piezo2的作用機制。其研究[8]結果表明Piezo1和Piezo2都是陽離子通道受體，可以被細胞膜表面的壓力激活。Piezo1和Piezo2還被證明和人體生理過程密切相關，包括觸覺、本體感覺、血壓、呼吸以及膀胱控制、骨質生成等[9-11]。

3 科學意義

溫度覺和觸覺，是我們感知和融入周圍世界的主要途徑，也是人類直接經(jīng)驗的最重要來源。想象一下，當一個人站在噴頭下淋浴時，他能夠迅速感受到水的溫度過高還是過低，以及水壓太大或者太小，從而進行相應的調整。像這樣的例子在人類日常生活中比比皆是，以至于有時我們會忽略它們的意義和重要性，就像空氣和陽光一樣。但正如祖師所著的《血脈論》名句：“如人飲水，冷暖自知”，這些最直觀的感覺經(jīng)驗恰恰也塑造了我們每個獨立的個體。因此冷熱溫度和壓力轉化成神經(jīng)電信號的分子機制不僅僅是一個科學問題，甚至與文化和哲學也息息相關。

本次諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者在熱受體(TRPV1)、冷受體(TRPM8)和機械壓力受體(Piezo)的突破性發(fā)現(xiàn)過程中做出了卓越的貢獻，而這些受體的發(fā)現(xiàn)幫助科學家解答了長期困擾人們的謎題，即冷熱和機械壓力是如何導致神經(jīng)沖動的產(chǎn)生[2,5,7]。早在1969年，科學家Cosens和Manning發(fā)現(xiàn)給予果蠅連續(xù)的光刺激，它的光感受器會出現(xiàn)短暫但顯著的特異性胞內鈣離子濃度升高，被稱為瞬時受體電位(transient receptor potential，TRP)[12]。1997年，David Julius團隊[2]發(fā)現(xiàn)TRP家族成員TRPV1不僅是辣椒素的體內受體，同時也可以被高溫激活，從而鑒定出第一個溫度感受器。隨后，David Julius也通過和其他科學家合作，一起利用冷凍電鏡解析出TRPV1受體的結構[13]，為針對TRPV1受體的藥物研發(fā)提供了重要依據(jù)。受到1997年David Julius工作的啟發(fā)，Ardem Patapoutian也在2002年到2010年期間發(fā)現(xiàn)TRPM8等多個TRP家族的溫度感受器[3]，以及它們的生理和病理學功能。更重要的是在2010年，Ardem Patapoutian[7]實驗室首次報道了Piezo家族陽離子通道可以被機械壓力激活。并且在之后，他們又連續(xù)報道了Piezo1和Piezo2在觸覺、本體感覺、血管生成和呼吸系統(tǒng)中的作用[9-11]。TRPV1和Piezo家族蛋白的發(fā)現(xiàn)之旅幫助我們走完了認識溫度覺和觸覺生物學本質的最后一公里(圖3)，而在路的盡頭又將是全新旅程的開始。

圖3 諾獎獲得者的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)解釋了冷熱觸覺的誘發(fā)機制及其生理病理學意義

David Julius和Ardem Patapoutian的工作不僅體現(xiàn)了他們各自的成就，更是神經(jīng)科學中各種溫度和壓力感受器，以及離子通道研究方面優(yōu)秀科學家的典型代表。他們在一個專業(yè)領域上長期耕耘，持之以恒，堅守的同時又不斷拓展研究的邊界，創(chuàng)新的背后是對一個科學問題的篤定追求。他們的獲獎，必將進一步推動生理和病理條件下溫度覺、觸覺等感覺系統(tǒng)的功能研究走向新的高峰。他們的獲獎，也將激勵更多年輕人投身神經(jīng)科學，去揭示更多我們生活中的自然現(xiàn)象，并為神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療打開嶄新的窗口。