Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

- Zdolność wyczuwania ciepła, zimna i dotyku jest niezbędna do przetrwania i stanowi podstawę naszej interakcji z otaczającym nas światem. W codziennym życiu przyjmujemy te odczucia za pewnik, ale w jaki sposób inicjowane są impulsy nerwowe, aby można było dostrzec temperaturę i ciśnienie? To pytanie rozwiązali tegoroczni laureaci Nagrody Nobla - napisał w uzasadnieniu komitet przyznający Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii w 2021 roku.

David Julius wykorzystał kapsaicynę, ostry związek z papryczek chili, który wywołuje uczucie pieczenia, aby zidentyfikować czujnik reagujący na ciepło w zakończeniach nerwowych skóry. Ardem Patapoutian wykorzystał komórki wrażliwe na nacisk, aby odkryć nową klasę czujników, które reagują na bodźce mechaniczne w skórze i narządach wewnętrznych. Te przełomowe odkrycia zapoczątkowały intensywne działania badawcze i doprowadziły do zrozumienia, w jaki sposób nasz układ nerwowy wyczuwa ciepło, zimno oraz bodźce mechaniczne. Laureaci zidentyfikowali krytyczne brakujące ogniwa w naszym zrozumieniu złożonej interakcji między naszymi zmysłami a środowiskiem.

Jak postrzegamy świat?
Jedną z wielkich tajemnic, przed którymi stoi ludzkość, jest pytanie o to, jak fizycznie odbieramy wrażenia płynące z naszego środowiska. Mechanizmy leżące u podstaw naszych zmysłów wywoływały naszą ciekawość od tysięcy lat, na przykład, jak światło jest wykrywane przez oczy, jak fale dźwiękowe wpływają na nasze wewnętrzne uszy oraz jak różne związki chemiczne wchodzą w interakcję z receptorami w nosie i ustach, generując zapach i smak. Mamy też inne sposoby postrzegania otaczającego nas świata. Wyobraźmy sobie chodzenie boso po trawniku w upalny letni dzień. Możemy wtedy poczuć ciepło słońca, pieszczotę wiatru i pojedyncze źdźbła trawy pod stopami. Te wrażenia temperatury, dotyku i ruchu są niezbędne dla naszej adaptacji do ciągle zmieniającego się otoczenia.

W XVII wieku Kartezjusz przewidział istnienie "nici" łączących różne części skóry z mózgiem. W ten sposób stopa dotykająca otwartego płomienia wysyłałaby do mózgu sygnał mechaniczny (rys. 1). Odkrycia później ujawniły istnienie wyspecjalizowanych neuronów czuciowych, które rejestrują zmiany w naszym środowisku. Joseph Erlanger i Herbert Gasser otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1944 roku za odkrycie różnych typów włókien nerwów czuciowych, które reagują na różne bodźce, na przykład w odpowiedzi na bolesny i niebolesny dotyk. Od tego czasu wykazano, że komórki nerwowe są wysoce wyspecjalizowane w wykrywaniu i przekazywaniu różnych rodzajów bodźców, umożliwiając zniuansowaną percepcję naszego otoczenia; na przykład zdolność odczuwania różnic w fakturze powierzchni opuszkami palców lub zdolność rozpoznawania zarówno przyjemnego ciepła, jak i bolesnego gorąca.

Przed odkryciami Davida Juliusa i Ardema Patapoutiana nasze zrozumienie tego, jak system nerwowy wyczuwa i interpretuje nasze środowisko, wciąż zawierało fundamentalne, nierozwiązane pytanie: w jaki sposób temperatura i bodźce mechaniczne są przekształcane w impulsy elektryczne w układzie nerwowym?

Nauka nabiera tempa!
W drugiej połowie lat 90. David Julius z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco dostrzegł możliwość znacznych postępów, analizując, w jaki sposób kapsaicyna (związek chemiczny) wywołuje uczucie pieczenia, które odczuwamy, gdy stykamy się z papryczką chili. Wiadomo już, że kapsaicyna aktywuje komórki nerwowe powodujące odczucia bólu, ale sposób, w jaki faktycznie wywiera ona tę funkcję, stanowił nierozwiązaną zagadkę. Julius i jego współpracownicy stworzyli bibliotekę milionów fragmentów DNA odpowiadających genom, które ulegają ekspresji w neuronach czuciowych mogących reagować na ból, ciepło i dotyk. Julius i współpracownicy postawili hipotezę, że biblioteka będzie zawierać fragment DNA kodujący białko zdolne do reagowania na kapsaicynę. Prowadzili ekspresję kolejnych pojedynczych genów z tej kolekcji w hodowanych komórkach, które normalnie nie reagują na kapsaicynę. Po żmudnych poszukiwaniach zidentyfikowano pojedynczy gen, który był w stanie uwrażliwić na nią komórki (rys. 2). Dzięki temu znaleziono gen odpowiedzialny za wykrywanie tego chemicznego związku. Dalsze eksperymenty ujawniły, że zidentyfikowany gen kodował nowe białko kanału jonowego, a ten nowo odkryty receptor kapsaicyny został później nazwany TRPV1. Kiedy Julius badał zdolność białka do reagowania na ciepło, zdał sobie sprawę, że odkrył receptor wyczuwający ciepło, który jest aktywowany w temperaturach postrzeganych jako bolesne (rys. 2).

Odkrycie TRPV1 było dużym przełomem, prowadzącym do odkrycia dodatkowych receptorów wykrywających temperaturę. Niezależnie od siebie, zarówno David Julius, jak i Ardem Patapoutian użyli substancji chemicznej zwanej mentolem do zidentyfikowania TRPM8, receptora, który, jak wykazano, jest aktywowany przez zimno. Zidentyfikowano dodatkowe kanały jonowe związane z TRPV1 i TRPM8 i stwierdzono, że są one aktywowane przez szereg różnych temperatur. Wiele laboratoriów realizowało programy badawcze w celu zbadania roli tych kanałów w odczuwaniu ciepła przy użyciu genetycznie zmanipulowanych myszy, którym brakowało tych nowo odkrytych genów. Odkrycie TRPV1 przez Davida Juliusa było przełomem pozwalającym nam zrozumieć, w jaki sposób różnice temperatury mogą indukować sygnały elektryczne w układzie nerwowym.

Podczas, gdy mechanizmy odczuwania temperatury rozwijały się, nie było jasne, w jaki sposób bodźce mechaniczne mogą zostać przekształcone w nasze zmysły dotyku i nacisku. Naukowcy odkryli wcześniej czujniki mechaniczne w bakteriach, ale mechanizmy leżące u podstaw dotyku kręgowców pozostały nieznane. Ardem Patapoutian, pracujący w Scripps Research w La Jolla w Kalifornii, chciał zidentyfikować nieuchwytne receptory, które są aktywowane przez bodźce mechaniczne.

Patapoutian i jego współpracownicy jako pierwsi zidentyfikowali linię komórkową, która emitowała mierzalny sygnał elektryczny, gdy pojedyncze komórki zostały nakłute mikropipetą. Założono, że receptor aktywowany siłą mechaniczną jest kanałem jonowym i w kolejnym etapie zidentyfikowano 72 kandydatów na geny kodujące możliwe receptory. Geny te dezaktywowano jeden po drugim, aby odkryć gen odpowiedzialny za mechanowrażliwość w badanych komórkach. Po żmudnych poszukiwaniach Patapoutian i jego współpracownicy zdołali zidentyfikować pojedynczy gen, którego wyciszenie uczyniło komórki niewrażliwymi na szturchanie mikropipetą. Odkryto nowy i całkowicie nieznany mechanowrażliwy kanał jonowy, któremu nadano nazwę Piezo1, od greckiego słowa oznaczającego ciśnienie (í; píesi). Dzięki podobieństwu do Piezo1 odkryto drugi gen i nazwano go Piezo2. Stwierdzono, że neurony czuciowe wyrażają wysoki poziom Piezo2, a dalsze badania mocno ustaliły, że Piezo1 i Piezo2 są kanałami jonowymi, które są bezpośrednio aktywowane przez wywieranie nacisku na błony komórkowe (rys. 3).

Przełom dokonany przez Patapoutiana doprowadził do serii artykułów z jego i innych grup, pokazujących, że kanał jonowy Piezo2 jest niezbędny dla zmysłu dotyku. Ponadto wykazano, że Piezo2 odgrywa kluczową rolę w krytycznie ważnym wykrywaniu pozycji i ruchu ciała, znanym jako propriocepcja. W dalszych pracach wykazano, że kanały Piezo1 i Piezo2 regulują dodatkowe ważne procesy fizjologiczne, w tym ciśnienie krwi, oddychanie i kontrolę pęcherza moczowego.

Przełomowe odkrycia kanałów TRPV1, TRPM8 i Piezo przez tegorocznych laureatów Nagrody Nobla pozwoliły nam zrozumieć, w jaki sposób ciepło, zimno i siła mechaniczna mogą inicjować impulsy nerwowe, które pozwalają nam postrzegać i dostosowywać się do otaczającego nas świata. Kanały TRP są kluczowe dla naszej zdolności postrzegania temperatury. Kanał Piezo2 daje nam zmysł dotyku oraz możliwość odczuwania pozycji i ruchu części naszego ciała. Kanały TRP i Piezo przyczyniają się również do wielu dodatkowych funkcji fizjologicznych, które zależą od wykrywania temperatury lub bodźców mechanicznych. Intensywne trwające badania wywodzące się z odkryć nagrodzonych tegoroczną Nagrodą Nobla, koncentrują się na wyjaśnieniu ich funkcji w różnych procesach fizjologicznych. Ta wiedza jest wykorzystywana do opracowywania metod leczenia szerokiego zakresu stanów chorobowych, w tym bólu przewlekłego. 

Źródło: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/