19 октября 2021, вторник, 18:43
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Тепло и холод, касание и боль. Нобелевская премия по физиологии и медицине 2021

Ощущение холода
Ощущение холода

Нобелевскую премию 2021 года по физиологии и медицине получили ученые из США Дэвид Джулиус (David Julius) и Ардем Патапутян (Ardem Patapoutian) за открытия рецепторов температуры и осязания.

На уровне органов и клеток исследования ощущений велись долгие годы. Уже в XIX веке физиологи знали, что ощущение прикосновения, тепла или холода формируются благодаря чувствительным нервным клеткам в коже, от которых по нервам импульсы передаются в мозг. Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер в 1944 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие дифференцированных типов сенсорных нервных волокон, которые реагируют на различные раздражители — например, в ответ на болезненное и безболезненное прикосновение. Но до работ Джулиуса и Патапутяна оставалось неизвестным, как температура или механический стимул превращается в электрический импульс в нервной клетке. Ответ надо было искать на молекулярном уровне.

Уроженец Нью-Йорка Дэвид Джулиус учился в Массачусетском технологическом институте, затем работал в Калифорнийском университете в Беркли, Колумбийском университете, а сейчас он профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Молекулярный биолог армянского происхождения Ардем Патапутян родился в Бейруте, где начал учебу в Американском институте. В 1986 году он переехал США, получил степень бакалавра в области клеточной биологии и биологии развития в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, затем защитил диссертацию в Калифорнийском технологическом институте. Далее Патапутян работал в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, Институте Скриппса, Исследовательском центре Новартис, Медицинском институте Говарда Хьюза. В данный момент он вновь работает в Институте Скриппса.

 

Дэвид Джулиус и Ардем Патапунян

Обнаружить рецепторы температурной чувствительности помогло одно их свойство: они активируются не только при воздействии повышенной или пониженной температуры, но и при контакте с определенными химическими веществами. Во второй половине 1990-х Джулиус исследовал реакцию нервных клеток на капсаицин — вещество, которое придает перцу его жгучесть. Ему было известно, что чувствительность к капсаицину проявляют нейроны спинальных ганглиев — чувствительных нервных узлов спинномозговых нервов. Джулиус и его коллеги получили библиотеку ДНК тех генов, которые экспрессируются в нейронах спинальных ганглиев, и испытали эти гены в клеточной культуре HEK 293, клетки которой не реагируют на капсаицин. В 1997 году им удалось найти тот единственный ген, который обеспечивал реакцию на капсаицин.

Ген и соответствующий ему белок получили название TRPV1. У людей данный ген расположен на коротком плече 17-й хромосомы. Белок представляет собой «ионный канал», то есть он дает возможность ионам перемещаться сквозь клеточную мембрану и поддерживает разность потенциалов на двух сторонах мембраны. Когда Джулиус исследовал способность этого белка реагировать на тепло, он понял, что обнаружил рецептор, чувствительный к теплу, который активируется при высокой температуре, воспринимаемой как болезненная (выше 43 °C).

 

Структура рецептора TRPV1

В последующие годы был открыт еще ряд ионных каналов, активизирующихся в других диапазонах температур: TRPM3, TRPA1, TRPM2. Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян независимо друг от друга обнаружили ионный канал TRPM8, который активизируется не при высокой, а при низкой (около –20 °C) температуре. Данный белок реагирует также на ментол, что и позволило его обнаружить (вспомним, что вкус ментола вызывает у человека ощущение прохлады, тогда как жгучий перец, содержащий капсаицин, вызывает чувство жара). В 2007 году Джулиус и его коллеги получили культуру нервных клеток с выключенным каналом TRPM8 и подтвердили, что эти клетки не активизируются ни ментолом, ни пониженной температурой. Затем они получили генетически модифицированных мышей с инактивированным рецептором TRPM8 и показали, что в определенном диапазоне температур эти мыши утратили способность отличать прохладное от теплого. В эксперименте группы Джулиуса мышь помещалась в камеру, разделенную на два отсека. В одном из них пол подогревался до 30 °C, в другом — лишь до 20 °C. Обычной мыши было более комфортно находиться на теплом полу, поэтому, когда она, исследуя камеру, заходила в отсек с температурой пола 20 °C, она тут же отступала назад. Мыши с неработающим геном TRPM8 проводили примерно одинаковое количество времени в двух отсеках. Они вновь начинали ощущать разницу температур, только когда пол во втором отсеке становился холоднее 10 °C.

Видеосъемка эксперимента, выявившего утрату температурной чувствительности у мышей с отключенным геном TRPM8

Семейство белков, которое включает белки TRPV1, TRPM8 и многие другие, получило название «каналы с транзиторным рецепторным потенциалом» (transient receptor potential channel, TRP). Все они пропускают в клетку ионы кальция, натрия и магния, создавая необходимую для передачи нервного импульса разность потенциалов. Ионные каналы TRP выполняют большое количество функций в нервной системе. В частности, они связаны с ощущением боли. Сейчас ученые разрабатывают средства от боли, основанные на блокировке рецептора TRPV1.

Ионные каналы реагируют не только на температурные, но и на механические стимулы. Впервые обнаружить рецептор, активируемый при механическом воздействии, смогли ученые Института Скриппса под руководством Ардема Патапутяна. Они выделили 72 гена, которые могли бы отвечать за механочувствительность, и в дальнейшем поочередно отключали эти гены у исследуемых клеток. После напряженных поисков они идентифицировали ген, кодирующий ионный канал, который получил название Piezo1 (от греческого πιέζω — «давлю»). Затем был открыт другой ген — Piezo 2. Было обнаружено, что сенсорные нейроны экспрессируют высокие уровни Piezo2, и дальнейшие исследования твердо установили, что Piezo1 и Piezo2 представляют собой ионные каналы, которые непосредственно активируются при давлении на клеточную мембрану. В последующие годы ученые доказали, что именно ионный канал Piezo2 играет ключевую роль в осязании, а также в проприоцепции — восприятии положения и движения собственного тела.

Не следует думать, что после работ Джулиуса и Патапутяна в функциях тепловых и механических рецепторов не осталось ничего непонятного. Например, теперь ученые хорошо понимают, как рецепторы вроде TRPV1 и TRPM8 реагируют на химические стимулы (химическое взаимодействие молекул рецептора и его антагониста по принципу «ключ-замок»). Но до сих пор неясно, что именно заставляет ионный канал открываться при заданной температуре. Предположительно, температура делает нестабильными некоторые фрагменты молекулы рецептора и этот каким-то образом ведет к его активации. Предлагается много моделей этого процесса, но надежного объяснения они пока не принесли. 

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ МФТИ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астронавты астрофизика бактерии бедность библиотеки биоинформатика биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги виноделие вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты клад климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос кошки культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы малярия мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеоклиматология палеолит палеонтология память папирусы паразиты пауки перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения реки религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники средневековье старение старообрядцы стартапы статистика табак такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Алексей Ананьев Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад Солнечная система альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения когнитивные науки компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология культурные растения междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция темная материя физическая антропология финансовый рынок черные дыры шнобелевская премия эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество Европейская южная обсерватория жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2021.