【諾貝爾醫學獎・闡釋】我們如何感知熱、冷和物理觸感?

熱、冷和觸覺的感知能力對於生存非常重要,幫助我們與周遭環境互動。在日常生活中,我們認為這些感覺是理所當然的,但相關神經脈衝是如何啟動,從而可以感知溫度和壓力是個大難題,而今年諾貝爾生理學或醫學獎兩位得主則解決了此身體關鍵。

(另見:兩美籍學者奪 2021 諾貝爾醫學獎 表揚發現溫度和觸覺感受器

今年得獎分別是美國生理學家 David Julius 與亞美尼亞裔美國籍分子生物學家 Ardem Patapoutian。David Julius 利用辣椒素來識別皮膚神經末梢中對熱有反應的感應受體,而 Ardem Patapoutian 則使用對壓力敏感的細胞發現了一類新型感應受體,可以對皮膚和內部器官中的物理性刺激作出反應。這些突破性發現啟發更多研究,令人類對神經系統如何感知熱、冷和物理性刺激的理解大增。

在 17 世紀,哲學家笛卡兒 (René Descartes) 幻想皮膚不同部分有與大腦連接起來的線。通過這種方式,例如接觸明火的腳會向大腦發送物理訊號。後來的發現則顯示人類有對環境變化的特殊感覺神經元。 Joseph Erlanger 和 Herbert Gasser 亦曾因發現了對不同刺激做出反應的各種感覺神經纖維而獲得 1944 年諾貝爾生理學或醫學獎。

不過,在 David Julius 和 Ardem Patapoutian 的發現之前,人類對神經系統如何感知和解釋我們理解環境仍有一個基本未解決的問題:溫度和物理性刺激如何在神經系統中轉換為電脈衝?

辣椒素研究

在 1990 年代後期, Julius 通過分析辣椒素如何引起我們接觸辣椒時的灼燒感,看到了解決相關問題的可能性,當時已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神經細胞。 Julius 的團隊建立了一個包含數百萬個 DNA 片段的數據庫,這些片段對應於感覺神經元中表達的基因,能對疼痛、熱和觸感作出反應。

Julius 的團隊假設該數據庫包含了 DNA 片段能夠編碼與辣椒素反應的蛋白質 。經過搜索後,團隊確定了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因。進一步的實驗表明,鑑定出的基因編碼了一種新的離子通道蛋白,這種新發現的辣椒素受體後來被命名為 TRPV1 。

Julius 和 Patapoutian 各自獨立地使用化學物質薄荷醇來識別出 TRPM8 ,這是一種被證明會被寒冷激活的受體。與 TRPV1 和 TRPM8 相關的其他離子通道被確定並被一系列不同的溫度激活。現時許多研究項目,通過使用缺乏這些新發現基因的基因操作小鼠來研究這些通道在冷熱感覺中的作用。 Julius 對 TRPV1 的發現是一項突破,使我們能夠了解溫度差異如何在神經系統中誘發電訊號。

調控血壓、呼吸等重要生理過程

雖然溫度感覺的神經分子機制研究正在展開,但物理性刺激如何轉化為觸覺和壓力感仍有許多未明的地方。

Patapoutian 的團隊則確定了一種細胞系,當用微量移液管戳單個細胞時,該細胞系會發出可測量的電訊號。團隊假設被壓力激活的受體是離子通道,並且從中鑑定了編碼該疑似受體的 72 個候選基因,當這些基因逐一被關閉,團隊就發現到負責細胞對壓力敏感性的基因。

團隊指,關閉該稱為 Piezo1 的基因使細胞對微量移液管的戳刺不敏感。其後 Patapoutian 團隊發現了第二個基因並將其命名為 Piezo2 ,而進一步研究證實 Piezo1 和 Piezo2 是離子通道,會因細胞膜被施加壓力直接激活。另外,現時亦發現 Piezo1 和 Piezo2 通道可調節其他重要的生理過程,包括血壓、呼吸和膀胱控制。

來源:
The Nobel Prize, The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021, 4 October 2021

文/Alan Chiu

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