Способността ни да усещаме топлина, студ и допир е от съществено значение за оцеляването и е в основата на взаимодействието ни със света около нас. В ежедневието си ние приемаме тези усещания за даденост, но как се инициират нервните импулси, така че да се възприемат температура и натиска? Този въпрос е решен от тазгодишните лауреати на Нобелова награда.
Дейвид Джулиъс използва капсаицин, съставката в лютите чушки, която предизвиква усещането за парене, за да идентифицира сензор в нервните окончания на кожата, който реагира на топлина. Ардем Патапутиан използва чувствителни на натиск клетки, за да открие нов клас рецептори, които реагират на механични стимули в кожата и вътрешните органи. Тези важни открития стартират интензивна изследователска дейност, водеща до бързото нарастване на разбирането ни за това как нервната ни система усеща топлина, студ и механични стимули. Лауреатите идентифицират важни липсващи звена в нашето разбиране за сложното взаимодействие между сетивата ни и околната среда.
Как възприемаме света?
Една от големите загадки, пред които е изправено човечеството, е въпросът как ние усещаме заобикалящата ни среда. Механизмите, които стоят в основата на сетивата ни, предизвикват любопитството ни в продължение на хиляди години, например как светлината се улавя от очите, как звуковите вълни влияят на вътрешните ни уши и как различните химични съединения взаимодействат с рецепторите в носа и устата ни, генерирайки миризма и вкус. Имаме и други начини да възприемаме света около нас. Представете си да ходите боси през поляна в горещ летен ден. Можете да усетите топлината на слънцето, ласката на вятъра и отделните тревички под краката ви. Тези усещания на топлина, докосване и движение са от съществено значение за нашата адаптация към постоянно променящата се среда.
|
|
През 17-ти век философът Рене Декарт предполага, че има нишки, свързващи различни части на кожата с мозъка. По този начин кракът, докосващ открит пламък, би изпратил механичен сигнал към мозъка (Фигура 1).
Откритията по-късно разкриват съществуването на специализирани сензорни неврони, които регистрират промените в нашата среда. Джоузеф Ерлангер и Херберт Гасер получават Нобелова награда за физиология и медицина през 1944 г. за откриването на различни видове сензорни нервни влакна, които реагират на различни стимули, например в реакциите на болезнено и неболезнено докосване. Оттогава е доказано, че нервните клетки са силно специализирани за откриване и пренасяне на различни видове стимули, което позволява нюансирано възприемане на заобикалящата ни среда; например способността ни да усещаме различия в текстурата на повърхностите чрез върховете на пръстите си или способността ни да различаваме както приятната топлина, така и болезнената топлина.
Преди откритията на Дейвид Джулиъс и Ардем Патапутиан нашето разбиране за това как нервната система усеща и интерпретира нашата среда все още съществуваше един фундаментален нерешен въпрос: как температурата и механичните стимули се превръщат в електрически импулси в нервната система?
Науката "загрява"!
През втората част на 90-те години Дейвид Джулиъс от Калифорнийския университет, Сан Франциско, САЩ, вижда възможност за голям напредък, анализирайки как химичното съединение капсаицин причинява усещане за парене, което изпитваме, когато влизаме в контакт с люти чушки. Капсаицинът вече е бил известен с това, че активира нервните клетки, причинявайки усещания за болка, но как това химично вещество действително упражнява тази функция бе неразгадана мистерия. Джулиъс и неговите колеги създават библиотека от милиони ДНК фрагменти, съответстващи на гени, експресирани в рецепторните неврони, които могат да реагират на болка, топлина и допир. Джулиъс и колегите му предполагат, че библиотеката ще включва ДНК фрагмент, кодиращ протеина, способен да реагира на капсаицин. Те експресират отделни гени от тази колекция в култивирани клетки, които обикновено не реагират на капсаицин. След усилено търсене е идентифициран един ген, който успява да направи клетките чувствителни към капсаицин (Фигура 2). Открит е генът за изследване на капсаицин! По-нататъшните експерименти разкриват, че идентифицираният ген кодира нов протеин на йонния канал и този новооткрит рецептор на капсаицин по-късно е наречен TRPV1. Когато Джулиъс изследва способността на протеина да реагира на топлина, той осъзнава, че е открил термочувствителен рецептор, който се активира при температури, възприемани като болезнени (Фигура 2).
Фигура 2 Дейвид Джулиъс използва капсаицин от люти чушки за идентифициране на TRPV1, йонния канал, активиран от болезнената топлина. Идентифицирани са допълнителни свързани йонни канали и сега разбираме как различните температури могат да предизвикат електрически сигнали в нервната система. Кредит: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén
Откриването на TRPV1 е голям пробив, отварящ пътя към разкриването на допълнителни рецептори, чувствителни към температура. Независимо един от друг, и Дейвид Джулиъс, и Ардем Патапутиан използват химичното вещество ментол, за да идентифицират TRPM8, рецептор, за който е доказано, че се активира от студ. Допълнителните йонни канали, свързани с TRPV1 и TRPM8, са идентифицирани и е установено, че се активират от диапазон от различни температури. Много лаборатории изследват ролята на тези канали за усещането на температурата като използват генетично модифицирани мишки, на които им липсват тези новооткрити гени. Откритието на Дейвид Джулиъс на TRPV1 е пробивът, който позволява да се разбере как температурните разлики могат да предизвикат електрически сигнали в нервната система.
Изследването на натиска
Докато знанията за механизмите за усещане за температура се развиват, остава неясно как механичните стимули могат да бъдат преобразувани в нашите сетива за допир и натиск. Изследователите са открили преди това механични сензори в бактериите, но механизмите, лежащи в основата на докосването при гръбначните животни, остават неизвестни. Ардем Патапутиан, работещ в Scripps Research в Ла Джола, Калифорния, САЩ, решава да идентифицира неуловимите рецептори, които се активират от механични стимули.
Патапутиан и неговите сътрудници първо идентифицират клетъчна линия, която излъчва измерим електрически сигнал, когато отделни клетки са прободени с микропипета. Предполага се, че рецепторът, активиран от механичната сила, е йонен канал и в следващ етап са идентифицирани 72 кандидат-гена, кодиращи възможните рецептори. Тези гени са инактивирани един по един, за да се открие гена, отговорен за механичната чувствителност в изследваните клетки. След усилено търсене, Патапутиан и неговите колеги успяват да идентифицират един-единствен ген, чието инактивиране прави клетките нечувствителни към бодене с микропипетата. Открит е нов и напълно непознат механично чувствителен йонен канал, който получава името Piezo1, на името за налягане на гръцки. Втори сходен на Piezo1 ген бе открит и наречен Piezo2.
Фигура 3 Патапутиан използва култивирани механично чувствителни клетки за идентифициране на йонния канал, активиран от механична сила. След старателна работа е идентифициран Piezo1. Въз основа на сходството му с Piezo1 е открит втори йонен канал (Piezo2).Кредит: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén
Пробивът на Патапутиан довежда до поредица документи от негова и други групи, демонстриращи, че йонният канал Piezo2 е от съществено значение за чувството за допир. Освен това е показано, че Piezo2 играе ключова роля в критично важното усещане за позиция и движение на тялото, известно като проприоцепция. В по-нататъшната работа е доказано, че каналите Piezo1 и Piezo2 регулират допълнителни важни физиологични процеси, включително кръвно налягане, дишане и контрол на пикочния мехур.
Всичко има смисъл!
Основополагащите открития на каналите TRPV1, TRPM8 и Piezo от тазгодишните лауреати на Нобелова награда ни позволяват да разберем как топлината, студът и механичната сила могат да инициират нервните импулси, които ни позволяват да възприемаме и адаптираме се към света около нас. TRP каналите са основни за способността ни да възприемаме температурата.
Каналът Piezo2 ни дарява с усещане за допир и способност да усещаме позицията и движението на частите на тялото ни.
TRP и Piezo каналите участват и в множество допълнителни физиологични функции, които зависят от температурата на усещане или механичните стимули. Продължаващите интензивни изследвания, основани на тазгодишните открития, удостоени сега с Нобелова награда, се фокусират върху изясняването на техните функции в различни физиологични процеси. Тези знания се използват за разработване на лечения за широк спектър от болестни състояния, включително хроничните болки (фиг. 4).
Фигура 4 Основните открития на тазгодишните лауреати на Нобелова награда обясняват как топлината, студът и докосването могат да инициират сигнали в нашата нервна система. Идентифицираните йонни канали са важни за много физиологични процеси и болестни състояния. Кредит: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén
Източник: Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021
Справка:
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
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари