獨家專訪|如何感知世界?新科諾獎得主的中國門生詳解研究

澎湃新聞首席記者 賀梨萍

2021-10-05 07:40 來源:澎湃新聞

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在炎熱的夏天,赤腳走過一片草坪,你可以感受到太陽的熱度、風的愛撫,還有腳下的草葉……這些對溫度、觸覺等的感知,對于我們人類適應不斷變化的環境至關重要。
然而,我們究竟如何感知周遭?北京時間10月4日17時30分許,瑞典卡羅琳斯卡醫學院在斯德哥爾摩宣布,將2021年諾貝爾生理學或醫學獎授予戴維·朱利葉斯(David Julius)以及阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),以表彰他們在“發現溫度和觸覺感受器”方面作出的貢獻。 上述兩位諾獎得主就是在抽絲剝繭中解答上述問題。據諾貝爾獎的官方介紹,朱利葉斯利用辣椒素(一種來自辣椒的刺激性化合物,可引起灼熱感)來識別皮膚神經末梢中對熱有反應的傳感器。帕塔普蒂安則使用壓力敏感細胞發現了一類新型傳感器,可以對皮膚和內部器官中的機械刺激做出反應。 
“戴維·朱利葉斯是在1997年發現TRPV1,第一次找到了感覺溫度的一個分子受體,然后阿登·帕塔普蒂安是在2010年,實驗室接連發現了Piezo1和Piezo2,能介導機械力的刺激?!鼻迦A大學藥學院長聘教授肖百龍在接受澎湃新聞(www.csrme2010.com)專訪時表示,“這都是非常重要的生理功能,能夠揭示它的分子機制是非常重要的?!?nbsp;
2007年至2012年,肖百龍曾在帕塔普蒂安實驗室進行博士后研究,其見證了帕塔普蒂安實驗室上述諾獎工作的研究過程,也在這一諾獎級工作發現后迅速跟進開展了相關的早期研究?!皩τ谶@兩位科學家得獎,我不覺得驚喜,只是沒想到這么快?!痹诮邮芘炫刃侣動浾邔TL前,肖百龍剛剛給他的導師帕塔普蒂安發去了祝賀郵件。
美國科學院院士、加利福尼亞大學舊金山分校程亦凡教授對澎湃新聞(www.csrme2010.com)記者表示,“兩位得獎者的工作都是基礎研究,也說明基礎研究,特別是開創性的基礎研究的重要性!”他表示,兩個實驗室的合作已有十多年,2013年底,程亦凡和朱利葉斯合作發文,首次利用冷凍電鏡技術解析近原子分辨率膜蛋白TRPV1結構。
朱利葉斯1955年出生于美國紐約。1984年,他在加州大學伯克利分校獲得博士學位,隨后在哥倫比亞大學進行博士后訓練。朱利葉斯于1989年開始就職于加利福尼亞大學舊金山分校,現為該校教授。
帕塔普蒂安1967年出生于黎巴嫩貝魯特。年輕時,他從飽受戰爭蹂躪的貝魯特搬到美國洛杉磯,并于1996年獲得了美國加州理工學院的博士學位,并于加利福尼亞大學舊金山分校完成博士后研究。自2000年以來,他是美國斯克里普斯研究所的科學家,目前為該中心教授。
溫度和機械力是最基本的自然環境因素
“溫度和機械力是自然環境中最基本的環境因素,你時時刻刻需要感受到你周圍的溫度,時時刻刻需要感知力?!毙ぐ冽堈f,可能大家都已經太習以為常了,所以如果不是科研人員,一般的人可能都沒有去關注這些。
放置到生活中,這些感知無處不在。肖百龍舉例,如果你用手機刷屏,手指就要觸摸到屏幕,實際上這就是一個機械感知的過程,“沒有這樣的感知你就無法實現,包括你對各種器具的使用,比如抓一支筆,這都是最基本的?!?br />
肖百龍還提到核心的一點,即是我們身體的本體感知,即本體感受(proprioception)?!耙簿褪撬^的‘第六感’,包括對身體位置和運動感知,都需要時時刻刻感知到,感知不到走路就走不穩,身體儀態就無法維持?!?br />
然而,什么樣的分子來介導類似這樣的最基本的生命學過程?“解答這些問題,當然是非常重要?!?br />
諾貝爾獎委員會對于此次獲獎的官方解讀中也寫道,我們對熱、冷和觸覺的感知能力對生存至關重要,這也是我們與周圍世界互動的基礎。在日常生活中,我們認為這些感覺是理所當然的,但神經沖動是如何產生的,從而使溫度和壓力可以被感知?“人類面臨的最大謎團之一是我們如何感知環境?!?br />
實際上,對這一謎團的探索從未停歇。幾千年來,人類一直存有好奇心,眼睛是如何感知光的,聲波是如何影響我們的內耳的,不同的化合物又是如何與我們鼻子和口腔內的感受器相互作用,產生嗅覺和味覺的?
早在17世紀,哲學家笛卡爾(René Descartes)設想了將皮膚不同部位與大腦連接起來的線。這樣,一只腳碰到明火就會向大腦發送一個機械信號。后來的發現則揭示了專門的感覺神經元的存在,它們記錄了我們環境的變化。插圖描述了哲學家勒內·笛卡爾想象中熱量是怎樣向大腦發送機械信號。

插圖描述了哲學家勒內·笛卡爾想象中熱量是怎樣向大腦發送機械信號。

1944年,兩位美國科學家約瑟夫·厄蘭格(Joseph Erlanger)和赫伯特·加瑟(Herbert Gasser)獲得了諾貝爾生理學或醫學獎,他們發展了陰極射線示波器,可以記錄神經纖維上微小的電位變化,即動作電位。這一方法學的進步,為深入細致的電生理研究打下了堅實基礎。
然而,在朱利葉斯和帕塔普蒂安的發現之前,我們對神經系統如何感知環境,仍然存在著一個根本性的懸而未決的問題:在神經系統中,溫度和機械刺激是如何轉化為電脈沖的?辣椒的灼熱,以及第72個候選基因的嘗試
先從年紀更長的朱利葉斯說起。當我們碰到燒熱的鍋時,我們會下意識迅速縮手;當我們高燒40℃時,會感受到渾身難受……這種感受如何而來?
20世紀90年代后期,朱利葉斯通過分析化學化合物辣椒素是如何導致我們接觸辣椒時產生灼燒感的,看到了解答問題的可能性。在此之前,人們已經知道,辣椒素可以激活神經細胞,引起疼痛感,但這種化學物質究竟是如何發揮這種功能的?仍是一個未解之謎。朱利葉斯創建了一個由數百萬個DNA片段組成的文庫,這些DNA片段與表達能對疼痛、熱和觸摸做出反應的感覺神經元中的基因相對應。
他們推測,該基因庫中應該包含一個DNA片段,編碼一種能夠對辣椒素做出反應的蛋白質。經過艱苦的搜索,最終發現了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因,也就是說,辣椒素敏感基因已經找到了。
朱利葉斯等人進一步的實驗表明,該基因編碼了一種新的離子通道(即細胞膜上允許離子通過的通道)蛋白,這一新發現的辣椒素受體后來被命名為TRPV1。這種蛋白能被辣椒素特異地激活,更重要的是,當溫度上升到42℃以上時,它同樣能被激活。TRPV1的發現是一個重大突破。在之后的幾年時間里,科學界又發現了其他幾種TRP通道起著溫度感受器的作用,它們有的被50多攝氏度高溫激活,有的在30多攝氏度時就能開放,而有的卻在溫度降低到10多攝氏度時激活。
肖百龍提到,帕塔普蒂安實驗室原來也是在做溫度受體研究,“實際上在溫度受體方面也做了很重要的貢獻?!崩?,在2002年,朱利葉斯實驗室和帕塔普蒂安實驗室分別在《細胞》(Cell)和《自然》(Nature)發文,各自獨立地使用化學物質薄荷醇來識別TRPM8,這是一種證明能被涼爽激活的受體。
“帕塔普蒂安1999年到斯克里普斯研究所開始自己獨立工作,就開始去鑒定發現這些溫度分子受體,他實驗室發現了多個溫度分子受體,包括感覺涼爽的,也就是TRPM8,另外還有感受溫熱的TRPV3等?!?br />
“發展到后面,領域里大家都在找機械力的分子受體,帕塔普蒂安實驗室在這個領域占了先機?!睂嶋H上,朱利葉斯也在苦苦搜尋機械力分子受體,但最終無果。肖百龍表示,“機械力分子受體相對來說比較難做,因為它給刺激的方式我們在實驗上比較難實現,而且很難通過高通量的方法去進行篩選,我們還沒有這樣的研究的手段?!?img alt="" style="width:600px;" src="https://imagecloud.thepaper.cn/thepaper/image/157/140/405.png" />2010年是時年43歲的帕塔普蒂安的豐收之年。其實驗室首先從一種小鼠細胞入手,這種細胞能夠將用移液管輕輕戳一下的微小力量,轉換成可測量的電流。他們假設機械力激活的受體是一個離子通道,決定敲除候選離子通道基因中的一個(每批細胞中敲除一個不同的基因),通過觀察哪批細胞突然失去了其觸覺敏感性,確定相關基因。“主要負責這項工作的博士后Bertrand Coste比我稍晚一些進入實驗室,當時他們在篩選基因時有500多個候選分子?!毙ぐ冽執岬竭@一細節。起初,研究團隊認為只要花上幾個月甚至幾周的時間就能成功,最終在2009年年底研究團隊才終于有了重要發現,他們用移液管戳了戳細胞,它們絲毫沒有反應。這證明,某個力敏通道一定已經被敲除了。
“他做到了第72個候選分子,如果要做500個,可能還得做很多年,能不能堅持下去?”肖百龍笑稱,“有一定的運氣,但也和Coste本人的科研訓練密不可分?!盋oste曾回憶道,“那真是非常美好的一天?!?br />
他們將這個小鼠基因命名為“Piezo1”,希臘語中是“壓力”的意思,他們很快又發現了Piezo2。2010年,研究成果以“Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically-activated cation channels”為題發表在《科學》雜志上。這是機械力受體研究的高光時刻。
“大家都知道這是一個非常重要的發現?!毙ぐ冽堈劦?,彼時他正在帕塔普蒂安實驗室做溫度受體研究,“這個出來以后,結合我博士階段的研究背景,我立刻做了一個早期的工作,因為Piezo蛋白和其他的已知的通道都沒有同源性,所以它是不是離子通道——就是負責離子通透的一個核心的孔道亞基,當時是不清楚的?!?nbsp;
2012年,Bertrand Coste 和肖百龍為共同第一作者,在《自然》發表了一項研究“Piezo Proteins Are Pore-forming Subunits of Mechanically Activated Channels”?!白C明Piezo蛋白確實是機械激活離子通道最核心的部件,我比較早期介入了這方面的工作?!?br />
治療疾?。喝掳悬c下的全新藥物
和領域內其他實驗室一樣,肖百龍還在繼續進行著相關研究。明顯的意義在于,科學界在TRPV1和Piezo方面的成果,尚未能轉化成臨床應用,惠及患者。
“比如說,Piezo通道現在已經很明確,它的突變會導致人類遺傳疾病。Piezo2突變以后,觸覺感知會缺失,本體感覺會缺失,就說你走路就走不穩了。另外也包括我們說的一種觸摸痛,假設你手上有個傷口,這個傷口有發炎的話,你輕輕一摸會感到疼?!?br />
肖百龍表示,觸摸痛實際上在很多的疾病中都是非常重要的問題,“比如說癌癥病患者,他最后疼痛非常劇烈,穿衣服脫衣服時對他身體的輕微摩擦都會導致劇烈的疼痛?!爆F在發現,如果Piezo2缺失的人,他這種觸摸痛就喪失,意味著我們能夠設計和開發藥物,“可能癌癥病患者或者關節炎病患者的疼痛,我們就可以去抑制住?!?br />
類似的醫療前景可設想的很多,然而目前科學界仍有謎團需要解開?!皩嶋H上Piezo分子發現以后,我們實驗室在近8年時間里,關注的一個核心問題就是,Piezo通道相當于一個轉換器,它怎么把機械力轉換成一個細胞能夠感知到的或者是能夠傳遞的一個電化學信號?”肖百龍表示,這個分子怎么樣在分子水平上去實現這么一個過程?這是他們非常關注的核心問題,也是領域里需要去解決的一個最重要的問題。
肖百龍實驗室希望能通過冷凍電鏡技術獲得更精細的結構,基于結構更深入地研究機制?!鞍囟雀惺芷鱐RPV1,它到底怎么感受溫度,這個問題到目前為止也還沒有完全被解決,但這些都是非?;A的問題,研究起來可能難度不一定比最早發現它們時難,但是需要很多的新研究手段和方法,也要大家持之以恒的研究,去把它搞清楚?!?br />
這條路或許還需要很多年?!澳壳皝碚f,Piezo蛋白實際上是非常復雜、非常難研究的一類蛋白,它的生化研究非常難,怎么樣建立方法,然后把它的機制能夠解釋清楚,然后針對機制去進行相應的藥物的開發和設計,實際上就顯得很重要了?!?br />
以Piezo1為例,它由2500多個氨基酸組成,重達300 KD,它共穿越細胞膜38次,幾乎是破紀錄的存在?!八悄さ鞍?,蛋白是嵌在細胞膜里面的,一般來說,膜蛋白的表達會非常困難,把它純化出來也很困難?!?br />
肖百龍團隊在2015年第一次報道了Piezo1的結構。此后,肖百龍和帕塔普蒂安等人又先后報道了更高分辨率結構。2019年,肖百龍團隊又進一步獲得了Piezo2的結構,其大小和形狀與Piezo1類似。
“到現在為止,Piezo通道發現差不多10年,目前還沒有可以用于臨床的藥物被發現?!毙ぐ冽埍硎?,“所以我們實驗室也在致力于對它的藥物進行發現和開發,但這個可能還需要時間,針對這樣全新的靶點來進行全新的藥物的設計和開發是非常困難的?!钡@是其實驗室的長期目標。
程亦凡也對澎湃新聞(www.csrme2010.com)記者談及這一領域臨床應用研究的難度?!癟RPV1曾經被作為止痛的藥物靶標進行過藥物開發,但因為藥物對體溫調節造成影響而不成功?!彼J為,對其結構和激活機理的研究也許可引導從某種新的角度的藥物開發。
附:兩位諾獎得主的關鍵學術成果
Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature 1997:389:816-824.
Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D. The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 1998:21:531-543.
Caterina MJ, Leffler A, Malmberg AB, Martin WJ, Trafton J, Petersen-Zeitz KR, Koltzenburg M, Basbaum AI, Julius D. Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science 2000:288:306-313
McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature 2002:416:52-58
Peier AM, Moqrich A, Hergarden AC, Reeve AJ, Andersson DA, Story GM, Earley TJ, Dragoni I, McIntyre P, Bevan S, Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell 2002:108:705-715
Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 2010:330: 55-60
Ranade SS, Woo SH, Dubin AE, Moshourab RA, Wetzel C, Petrus M, Mathur J, Bégay V, Coste B, Mainquist J, Wilson AJ, Francisco AG, Reddy K, Qiu Z, Wood JN, Lewin GR, Patapoutian A. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature 2014:516:121-125
Woo S-H, Lukacs V, de Nooij JC, Zaytseva D, Criddle CR, Francisco A, Jessell TM, Wilkinson KA, Patapoutian A. Piezo2 is the principal mechonotransduction channel for proprioception. Nature Neuroscience 2015:18:1756-1762
Ardem Patapoutian was born in 1967 in Beirut, Lebanon. In his youth, he moved from a war-torn Beirut to Los Angeles, USA and received a Ph.D. in 1996 from California Institute of Technology, Pasadena, USA. He was a postdoctoral fellow at the University of California, San Francisco. Since 2000, he is a scientist at Scripps Research, La Jolla, California where he is now Professor. He is a Howard Hughes Medical Institute Investigator since 2014.
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責任編輯:李躍群
校對:施鋆
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關鍵詞 >> 2021諾貝爾獎,生理學或醫學獎,溫度和觸覺感受器,戴維·朱利葉斯,阿登·帕塔普蒂安,肖百龍,程亦凡,疾病

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