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2021年诺贝尔生理学或医学奖——“发现温度和触觉感受器”

10月4日,2021年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,加州大学旧金山分校David Julius 教授和斯克里普斯研究中心Ardem Patapoutian教授因“发现温度和触觉感受器(for their discoveries of receptors for temperature and touch)”而分享了这一奖项。


David Julius,1955 年出生于美国纽约。1984年,他在加州大学伯克利分校获得博士学位,随后在哥伦比亚大学进行博士后研究;1989 年,他被加州大学旧金山分校聘为教授。


Ardem Patapoutian,1967年出生于黎巴嫩贝鲁特,后搬到美国洛杉矶生活。他于1996 年在加州理工学院获得博士学位,随后进入加州大学旧金山分校进行博士后研究。2000年以来,他在斯克里普斯研究中心工作,现任职教授。2014至今,他还是霍华德休斯医学研究所的研究员。


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触觉以及感知热、冷的能力对于人类的生存至关重要,没有这些能力,我们无法与周围世界正常互动。这些感觉如何而来?或者说,我们的神经系统如何感知温度和压力?今年的诺贝尔奖获得者解决的正是这个问题。


辣椒素(capsaicin)是一种来自辣椒的刺激性化合物,辣椒的灼热感——“辣”——很大程度上都要拜它所赐。David Julius使用这种化合物来识别皮肤神经末梢中响应热的感受器。他和同事们从能够响应疼痛、热和触觉的感觉神经元中表达的基因入手,创建了一个包含数百万个片段的DNA库,随后在细胞中表达这些基因并测试表达的蛋白是否能与辣椒素反应。经过艰苦的筛选,终于找到了一个让细胞对辣椒素敏感的基因,他们进一步的实验表明该基因编码了一种新的离子通道蛋白,这种新发现的辣椒素受体后来被命名为TRPV1。当Julius研究这种蛋白质对热的响应能力时,他发现这是一种热敏受体,在一定温度下会被激活。TRPV1 的发现是一项重大突破,为揭开其他温度感应受体开辟了道路。后来David Julius 和 Ardem Patapoutian 各自独立地使用薄荷醇(menthol)发现了寒冷激活的受体TRPM8。


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David Julius使用辣椒素鉴定了TRPV1,一种由热激活的离子通道。


触觉所感知的对象实际上是一种机械刺激。Ardem Patapoutian 使用压敏细胞发现了一类新型感受器,在皮肤和内部器官中对机械刺激做出响应。Patapoutian 与同事们首先确定了一种细胞系,这种细胞系在受到外界机械刺激(微量移液管戳刺)时,会发出可测量的电信号。他们假设被机械刺激激活的受体是离子通道,经过大量的筛选,终于成功地确定了一个基因,该基因被沉默失活之后,细胞就对微量移液器的戳刺变得不敏感了。由此,一种全新的、完全未知的机械敏感离子通道被发现了,并被命名为Piezo1。不久之后,与Piezo1相似的第二个机械敏感离子通道Piezo2被发现。Patapoutian与同事们后来的工作表明 Piezo2 离子通道对触觉至关重要。此外,在进一步的工作中,Piezo1 和 Piezo2 通道已被证明可以调节其他重要的生理过程,包括血压、呼吸和膀胱控制。

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Patapoutian培养机械敏感细胞来识别由机械刺激激活的离子通道Piezo1。

关键论文:


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,  1997389, 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. Neuron199821, 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. Science2000288, 306-313


McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature, 2002416, 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, 2002108, 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, 2010330, 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, 2014516, 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, 201518, 1756-1762


注:以上内容编译自诺贝尔奖官方网站,图片等内容版权归属于Nobelprize.org


近年诺贝尔生理学或医学奖回顾:


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