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2022-03-17 16:28:06范小治謝陽(yáng)唐逸泉
科學(xué) 2022年1期 關(guān)鍵詞：離子通道
范小治 謝陽(yáng) 唐逸泉
1932年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主謝靈頓爵士（Sir C. S. Sherrington）在他發(fā)表于1906年的經(jīng)典神經(jīng)生理學(xué)著作《神經(jīng)系統(tǒng)的整合作用》中，把感覺(jué)器官分為三類(lèi)：外感受器，介導(dǎo)如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)及觸覺(jué)等感覺(jué)；內(nèi)感受器，感知身體里各種內(nèi)臟器官活動(dòng)及變化；本體感受器，存在于肌、腱、關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)器官中感知身體的位置、姿態(tài)和動(dòng)作。感覺(jué)信息在被人體的感受器接收后，會(huì)通過(guò)神經(jīng)通路傳遞到大腦中與感覺(jué)有關(guān)的區(qū)域，大腦再對(duì)感覺(jué)信息進(jìn)行處理和整合，信息得以被感知。自1911年瑞典眼科醫(yī)生古爾斯特蘭德（A. Gullstrand）因闡述人眼成像的屈光原理獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)開(kāi)始，至今共有7次諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了與感覺(jué)系統(tǒng)相關(guān)的研究，視覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等多種感覺(jué)的分子受體相繼被發(fā)現(xiàn)，感覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)作原理逐漸被闡釋。
自古以來(lái)，中國(guó)人對(duì)飲食的口味常以“五味”概括——“酸、甜、苦、辣、咸”。辣味與其他四味有什么區(qū)別呢？早在1940年代，匈牙利科學(xué)家楊索（N. Jancsó）便發(fā)現(xiàn)了作為辣椒的活性物質(zhì)——辣椒素在疼痛中的作用：如果給小鼠、大鼠、豚鼠和狗等動(dòng)物抹辣椒素，可以讓它們之后變得對(duì)包括辣椒素在內(nèi)的可引起疼痛的化學(xué)刺激物不敏感，提示辣椒素可以特異性地影響負(fù)責(zé)感知疼痛的傷害性感受神經(jīng)元，使其脫敏，因此辣椒素有作為鎮(zhèn)痛藥物的潛力。楊索的發(fā)現(xiàn)很重要，可因?yàn)檎卧颍菚r(shí)來(lái)自東歐的科學(xué)研究很難在西方的學(xué)術(shù)期刊上得以發(fā)表，且因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)很有顛覆性（會(huì)引起疼痛的辣椒素可用來(lái)鎮(zhèn)痛），他也有些疲于應(yīng)付審稿人，所以在他生前，他的研究發(fā)現(xiàn)基本都是以會(huì)議報(bào)告的形式公布，直到他死后才由他的妻子和助手整理發(fā)表。他的發(fā)現(xiàn)不僅證明傷害性感受神經(jīng)元可以被藥理學(xué)干預(yù)，而且揭示了這些神經(jīng)元在疼痛感知之外的功能（因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)辣椒素特異性清除傷害性感受神經(jīng)元來(lái)研究它們的功能）。因此，辣，其實(shí)并不是一種味覺(jué)，而是一種痛覺(jué)。
那么，辣椒里的辣椒素是怎么引起痛覺(jué)的呢？這個(gè)難題就是由朱利葉斯解決的。朱利葉斯（D. Julius）1955年出生于美國(guó)紐約，1977年大學(xué)畢業(yè)于美國(guó)麻省理工學(xué)院，1984年博士畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校，導(dǎo)師為索納（J. Thorner）教授和因研究蛋白質(zhì)囊泡運(yùn)輸而獲得2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的謝克曼（R. Schekman）教授。謝克曼的導(dǎo)師科恩伯格（A. Kornberg）是1959年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主，以及導(dǎo)師的導(dǎo)師[科恩伯格的三位導(dǎo)師是1947年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主科里夫婦（C. F. Cori， G. T. Cori），和與他同年得獎(jiǎng)的奧喬亞（S. Ochoa）]都是諾貝爾獎(jiǎng)得主。朱利葉斯算是他所在學(xué)術(shù)譜系里第四代諾貝爾獎(jiǎng)得主。隨后，他加入哥倫比亞大學(xué)進(jìn)行博士后研究，導(dǎo)師是因發(fā)現(xiàn)嗅覺(jué)感受器而獲得2004年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的阿克塞爾（R. Axel）教授。
博士后階段，他利用一種DNA克隆技術(shù)——表達(dá)克?。╡xpression cloning）發(fā)現(xiàn)了五羥色胺受體1c[1]，這也是他后來(lái)用于尋找辣椒素受體的方法。這種方法就是在細(xì)胞中通過(guò)基因表達(dá)的載體，來(lái)構(gòu)建能產(chǎn)生基因編碼蛋白的表達(dá)克隆文庫(kù)，每個(gè)克隆表達(dá)一種蛋白質(zhì)，然后篩選該表達(dá)文庫(kù)的某種目標(biāo)特性，以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)克隆用于進(jìn)一步分析。
1990年，朱利葉斯加入加州大學(xué)舊金山分校建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展獨(dú)立研究工作至今。當(dāng)時(shí)盡管已經(jīng)知道辣椒素可特異性地作用于傷害性感受神經(jīng)元引起的痛覺(jué)，可對(duì)辣椒素在傷害性感受神經(jīng)元里的靶向受體是什么，依然未知。
我們的軀體感覺(jué)系統(tǒng)里面有一個(gè)很關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)叫背根神經(jīng)節(jié)，皮膚下的神經(jīng)末梢會(huì)把辣或者熱的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳遞到背根神經(jīng)節(jié)。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道背根神經(jīng)節(jié)的感覺(jué)神經(jīng)元對(duì)辣椒素敏感，所以朱利葉斯和他的博士后卡特林那（M. Caterina）就把大鼠的背根神經(jīng)節(jié)取出來(lái)，再把里面的RNA提取出來(lái)制備了一個(gè)cDNA文庫(kù)，然后把這個(gè)文庫(kù)里的DNA片段一批批放到一種原來(lái)對(duì)辣椒素不敏感的細(xì)胞里面去。他們假設(shè)辣椒素反應(yīng)是由單個(gè)基因介導(dǎo)的，只要把這個(gè)基因放到原來(lái)對(duì)辣椒素不敏感的細(xì)胞里，就可以讓這些細(xì)胞變得對(duì)辣椒素敏感。他們測(cè)試了16 000多個(gè)DNA片段，最終發(fā)現(xiàn)一個(gè)辣椒素受體基因——VR1（vanilloid receptor 1）。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，該基因編碼的蛋白質(zhì)屬于TRP（transient receptor potential）通道蛋白家族（這是一類(lèi)在外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布很廣泛的通道蛋白，有超過(guò)30個(gè)成員），因此這個(gè)蛋白又稱(chēng)TRPV1。雖然知道吃辣會(huì)帶給我們一種“火”辣辣的感覺(jué)，但起初他們也沒(méi)有想到熱和辣的感覺(jué)會(huì)是由同一個(gè)受體分子介導(dǎo)的。他們?cè)嚵烁鞣N各樣的刺激，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，TRPV1這個(gè)蛋白不僅可以被辣椒素激活，還會(huì)被43℃以上的熱溫度激活[2]。隨后朱利葉斯課題組和英國(guó)一家藥廠的進(jìn)一步研究都發(fā)現(xiàn)，缺乏TRPV1的小鼠幾乎沒(méi)有炎癥引發(fā)的熱痛覺(jué)過(guò)敏，提示TRPV1對(duì)于炎癥狀態(tài)下的疼痛感知很關(guān)鍵[3，4]。不過(guò)，TRPV1的缺乏并沒(méi)有導(dǎo)致正常狀態(tài)下傷害性熱感覺(jué)的完全缺失，這說(shuō)明必然還有其他熱感受器的存在?？茖W(xué)家把目光轉(zhuǎn)向其他TRP通道蛋白，最終發(fā)現(xiàn)TRPM3和TRPA1與TRPV1共同介導(dǎo)了傷害性熱刺激的感受[5]。
朱利葉斯的開(kāi)創(chuàng)性工作揭開(kāi)了人類(lèi)感受溫度和痛覺(jué)的分子機(jī)理。離子通道如同細(xì)胞膜上的一道閘門(mén)，它的開(kāi)關(guān)控制著離子進(jìn)出細(xì)胞。TRPV1受體作為一類(lèi)特殊的離子通道，特異性表達(dá)于傷害性感受神經(jīng)元，當(dāng)有辣椒素或者高溫刺激時(shí)，TRPV1通道的閘門(mén)就會(huì)打開(kāi)，細(xì)胞膜外的陽(yáng)離子通過(guò)其進(jìn)入細(xì)胞，造成細(xì)胞膜內(nèi)外的電壓變化。這便會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，沿著神經(jīng)纖維傳導(dǎo)，最終把信號(hào)傳遞到大腦皮層。后續(xù)的大量研究發(fā)現(xiàn)，各種引起炎癥或者疼痛的信號(hào)都能激活或者敏化TRPV1，因此，TRPV1除了被認(rèn)為是傷害性熱刺激或者辣椒素感受器之外，也是疼痛信號(hào)的關(guān)鍵處理器，所以大量實(shí)驗(yàn)室和藥物公司都在以TRPV1為靶點(diǎn)研發(fā)鎮(zhèn)痛藥物。
“多年以后，面對(duì)行刑隊(duì)，奧雷里亞諾·布恩迪亞上校將會(huì)想起父親帶他去見(jiàn)識(shí)冰塊的那個(gè)遙遠(yuǎn)的下午。”在小說(shuō)《百年孤獨(dú)》中，讓一位族長(zhǎng)式的人物在臨死前仍記憶猶新的，竟然是第一次接觸冰塊時(shí)，手上每一根神經(jīng)給他帶來(lái)的異樣感覺(jué)，以至于讓他驚呼：“它在燒！”。這里涉及另一種溫度感覺(jué)——冷感覺(jué)。
朱利葉斯通過(guò)辣椒素發(fā)現(xiàn)了熱感覺(jué)的分子受體TRPV1以后，他想用類(lèi)似策略尋找冷感覺(jué)的分子受體。他們聯(lián)想到會(huì)讓人覺(jué)得“涼”絲絲的薄荷，于是開(kāi)始尋找薄荷的提煉物——薄荷醇的分子受體。與尋找辣椒素受體的表達(dá)克隆策略一樣，他們假設(shè)薄荷醇反應(yīng)也是由單個(gè)基因介導(dǎo)的，只要把這個(gè)基因放到原來(lái)對(duì)薄荷醇不敏感的細(xì)胞里，就可以讓這些細(xì)胞變得對(duì)薄荷醇敏感。他們測(cè)試了從三叉神經(jīng)里提取制備的cDNA文庫(kù)中的1萬(wàn)多個(gè)DNA片段，最終發(fā)現(xiàn)了與TRPV1同屬TRP通道家族的薄荷醇受體TRPM8[6]，并進(jìn)一步證明TRPM8也是介導(dǎo)生理冷感覺(jué)的冷感受器[7]。
那時(shí)候，帕塔普蒂安（A. Patapoutian）也開(kāi)始進(jìn)行研究。與朱利葉斯相比，帕塔普蒂安的經(jīng)歷則要坎坷一些。他1967年出生于黎巴嫩首都貝魯特，是家中三個(gè)孩子里最小的一個(gè)。黎巴嫩從1975年到1990年一直在內(nèi)戰(zhàn)，他在貝魯特美國(guó)大學(xué)上了一年大學(xué)后就被軍隊(duì)抓了。幾個(gè)月后，18歲的他以難民身份來(lái)到美國(guó)洛杉磯。剛到美國(guó)的第一年，他過(guò)得很艱辛，為了生存，他打工送披薩，還每周幫當(dāng)?shù)匾患襾喢滥醽唸?bào)紙寫(xiě)星座運(yùn)勢(shì)賺錢(qián)。后來(lái)他獲得了加州大學(xué)洛杉磯分校的錄取通知，重啟大學(xué)生活。在大學(xué)里，為了獲得教授的推薦信去申請(qǐng)醫(yī)學(xué)院，他加入倫吉爾（J. A. Lengyel）的果蠅發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)分子生物學(xué)。當(dāng)?shù)弥x研究生可以拿到每個(gè)月1000美元的津貼（多么樸素的理由?。?，他毅然棄醫(yī)從理，申請(qǐng)去加州理工學(xué)院讀博士，導(dǎo)師是沃爾德（B. Wold）教授。1996年，他加入朱利葉斯所在的加州大學(xué)舊金山分校進(jìn)行博士后研究，導(dǎo)師是賴卡特（L. Reichardt）教授。2000年，帕塔普蒂安加入位于南加州圣地亞哥的斯克里普斯研究所，建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展獨(dú)立研究工作至今。受到熱感受器TRPV1發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，他對(duì)尋找冷感受器也充滿了興趣，幾乎是同時(shí)，帕塔普蒂安的實(shí)驗(yàn)室也發(fā)現(xiàn)了TRPM8是冷感受器。
“觸覺(jué)先于視覺(jué)，先于語(yǔ)言。它是最初之語(yǔ)也是最后之語(yǔ)，它從不說(shuō)謊（Touch comes before sight， before speech. It is the first language and the last， and it always tells the truth）。” 加拿大著名小說(shuō)家、詩(shī)人阿特伍德（M. Atwood）在她的小說(shuō)《盲眼刺客》（The Blind Assassin）里如此描述觸覺(jué)。發(fā)現(xiàn)新的溫度感受器后，帕塔普蒂安沒(méi)有停下探索的腳步，開(kāi)始把目光移向機(jī)械力感受器。他和他的博士后科斯特（B. Coste）首先找到了一種特殊的細(xì)胞，這種細(xì)胞會(huì)對(duì)機(jī)械力有反應(yīng)，當(dāng)用一個(gè)玻璃電極去戳這個(gè)細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的電流，并能夠被特殊的電生理儀器——膜片鉗系統(tǒng)采集到。然后，他們挑選了300多個(gè)在這類(lèi)細(xì)胞里高表達(dá)的膜蛋白基因，用RNA干擾技術(shù)一一抑制這些候選基因的表達(dá)，再觀測(cè)細(xì)胞對(duì)機(jī)械力刺激的電反應(yīng)有無(wú)變化。當(dāng)篩到第72個(gè)基因時(shí)，他們觀察到細(xì)胞受機(jī)械力刺激產(chǎn)生的電流極大地減小了，這意味著該基因?qū)τ诩?xì)胞機(jī)械力感受反應(yīng)是必需的。他們給這個(gè)基因起名“Piezo1”，Piezo 源自希臘語(yǔ)的“壓力”[8]。隨后，通過(guò)基因序列比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因所在家族中還有另外一個(gè)成員“Piezo2”，并通過(guò)后續(xù)一系列研究，證明Piezo2基因編碼介導(dǎo)觸覺(jué)和本體感覺(jué)的機(jī)械力感受器[9，10]。
Piezo分子可以表達(dá)在包括感覺(jué)神經(jīng)元、血管內(nèi)皮細(xì)胞、紅細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、上皮細(xì)胞以及成骨細(xì)胞等多種細(xì)胞類(lèi)型中，參與身體內(nèi)各種組織器官和生理過(guò)程的機(jī)械力感知。其中，Piezo1參與血管發(fā)育、紅細(xì)胞體積調(diào)節(jié)、骨骼生成和修復(fù)、腸蠕動(dòng)和結(jié)腸炎等多種生理病理過(guò)程。而Piezo2則是初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元和皮膚感受器細(xì)胞（如Merkel細(xì)胞，一種位于神經(jīng)末梢的樹(shù)枝狀細(xì)胞）上的機(jī)械力感受器，除了介導(dǎo)觸覺(jué)和本體感覺(jué)以外，Piezo2還能介導(dǎo)被敏化的機(jī)械痛覺(jué)，以及呼吸調(diào)節(jié)和排尿的生理過(guò)程。肺鼓脹到一定程度，分布在肺部的感覺(jué)神經(jīng)可感知肺牽拉，把信號(hào)傳遞給大腦，調(diào)整呼吸節(jié)奏，這種對(duì)肺牽拉的機(jī)械力感知就是Piezo2介導(dǎo)的；膀胱充盈產(chǎn)生尿意，Piezo2幫助感覺(jué)神經(jīng)元感知膀胱充盈產(chǎn)生的機(jī)械力刺激。
受新冠疫情影響，新冠疫苗研究的相關(guān)成果成為很多人預(yù)想中今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)熱點(diǎn)，而結(jié)果使大家覺(jué)得今年的諾獎(jiǎng)項(xiàng)目“爆冷”；即使朱利葉斯和帕塔普蒂安認(rèn)為自己遲早會(huì)獲獎(jiǎng)，他們自己可能也沒(méi)想到今年會(huì)獲獎(jiǎng)。所以，兩位教授獲知自己得獎(jiǎng)的方式都很有趣。由于時(shí)差，頒獎(jiǎng)委員會(huì)公布結(jié)果的時(shí)間，對(duì)于身處美國(guó)加州的朱利葉斯和帕塔普蒂安都不算友好（半夜兩點(diǎn)半），兩位教授都沒(méi)在第一時(shí)間接到頒獎(jiǎng)委員會(huì)的電話。朱利葉斯先是收到來(lái)自他嫂子的信息：“瑞典有個(gè)叫佩爾曼（委員會(huì)總秘書(shū)）的人找到了我，想給你打電話，我不想把你的電話號(hào)碼給他，但我在網(wǎng)上搜了下，他似乎還挺靠譜的，所以我要了他的電話，你可以自己打回去?！敝炖~斯的太太英格勒厄姆（H.Ingraham）也是加州大學(xué)舊金山分校的教授，她認(rèn)識(shí)佩爾曼，于是他們決定給他回個(gè)電話，看看是否是她熟悉的聲音。電話打通了，確實(shí)是。但是電話那邊的佩爾曼說(shuō)他只能聊三分鐘了，因?yàn)樵龠^(guò)五分鐘，他就要去開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)宣布這個(gè)消息，他們可以自己上網(wǎng)看直播。于是朱利葉斯和太太一起泡了杯咖啡，在廚房看起了直播。而帕塔普蒂安教授則是先接到了自己住在洛杉磯的92歲老父親的電話，告訴他頒獎(jiǎng)委員會(huì)因?yàn)榇虿煌ㄋ氖謾C(jī)（晚上開(kāi)了免打擾模式），找到了自己。幸運(yùn)的是，他父親知道怎么繞過(guò)免打擾模式找到他。
科學(xué)家們對(duì)TRP通道和Piezo通道的研究，從分子水平上揭開(kāi)了人體感知溫度和機(jī)械力的神秘面紗，雖然戴上諾獎(jiǎng)皇冠的人只有朱利葉斯和帕塔普蒂安二位，但研究成果的背后也離不開(kāi)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)諸多其他科學(xué)家的貢獻(xiàn)。其中，兩位華人科學(xué)家的研究工作，都起到了舉足輕重的作用，一位是朱利葉斯多年的合作伙伴、加州大學(xué)舊金山分校的程亦凡教授，他解析了包括TRPV1在內(nèi)的多個(gè)TRP通道的分子結(jié)構(gòu)；另一位是帕塔普蒂安曾經(jīng)的博士后、現(xiàn)就職于清華大學(xué)藥學(xué)院的肖百龍教授，他解析了Piezo1和Piezo2通道的分子結(jié)構(gòu)。他們的工作，為我們理解溫度和機(jī)械力感受器是如何工作的，提供了關(guān)鍵信息，在此也應(yīng)當(dāng)被銘記。
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范小治 謝陽(yáng) 唐逸泉
1932年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主謝靈頓爵士（Sir C. S. Sherrington）在他發(fā)表于1906年的經(jīng)典神經(jīng)生理學(xué)著作《神經(jīng)系統(tǒng)的整合作用》中，把感覺(jué)器官分為三類(lèi)：外感受器，介導(dǎo)如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)及觸覺(jué)等感覺(jué)；內(nèi)感受器，感知身體里各種內(nèi)臟器官活動(dòng)及變化；本體感受器，存在于肌、腱、關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)器官中感知身體的位置、姿態(tài)和動(dòng)作。感覺(jué)信息在被人體的感受器接收后，會(huì)通過(guò)神經(jīng)通路傳遞到大腦中與感覺(jué)有關(guān)的區(qū)域，大腦再對(duì)感覺(jué)信息進(jìn)行處理和整合，信息得以被感知。自1911年瑞典眼科醫(yī)生古爾斯特蘭德（A. Gullstrand）因闡述人眼成像的屈光原理獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)開(kāi)始，至今共有7次諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了與感覺(jué)系統(tǒng)相關(guān)的研究，視覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等多種感覺(jué)的分子受體相繼被發(fā)現(xiàn)，感覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)作原理逐漸被闡釋。
自古以來(lái)，中國(guó)人對(duì)飲食的口味常以“五味”概括——“酸、甜、苦、辣、咸”。辣味與其他四味有什么區(qū)別呢？早在1940年代，匈牙利科學(xué)家楊索（N. Jancsó）便發(fā)現(xiàn)了作為辣椒的活性物質(zhì)——辣椒素在疼痛中的作用：如果給小鼠、大鼠、豚鼠和狗等動(dòng)物抹辣椒素，可以讓它們之后變得對(duì)包括辣椒素在內(nèi)的可引起疼痛的化學(xué)刺激物不敏感，提示辣椒素可以特異性地影響負(fù)責(zé)感知疼痛的傷害性感受神經(jīng)元，使其脫敏，因此辣椒素有作為鎮(zhèn)痛藥物的潛力。楊索的發(fā)現(xiàn)很重要，可因?yàn)檎卧颍菚r(shí)來(lái)自東歐的科學(xué)研究很難在西方的學(xué)術(shù)期刊上得以發(fā)表，且因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)很有顛覆性（會(huì)引起疼痛的辣椒素可用來(lái)鎮(zhèn)痛），他也有些疲于應(yīng)付審稿人，所以在他生前，他的研究發(fā)現(xiàn)基本都是以會(huì)議報(bào)告的形式公布，直到他死后才由他的妻子和助手整理發(fā)表。他的發(fā)現(xiàn)不僅證明傷害性感受神經(jīng)元可以被藥理學(xué)干預(yù)，而且揭示了這些神經(jīng)元在疼痛感知之外的功能（因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)辣椒素特異性清除傷害性感受神經(jīng)元來(lái)研究它們的功能）。因此，辣，其實(shí)并不是一種味覺(jué)，而是一種痛覺(jué)。
那么，辣椒里的辣椒素是怎么引起痛覺(jué)的呢？這個(gè)難題就是由朱利葉斯解決的。朱利葉斯（D. Julius）1955年出生于美國(guó)紐約，1977年大學(xué)畢業(yè)于美國(guó)麻省理工學(xué)院，1984年博士畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校，導(dǎo)師為索納（J. Thorner）教授和因研究蛋白質(zhì)囊泡運(yùn)輸而獲得2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的謝克曼（R. Schekman）教授。謝克曼的導(dǎo)師科恩伯格（A. Kornberg）是1959年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主，以及導(dǎo)師的導(dǎo)師[科恩伯格的三位導(dǎo)師是1947年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主科里夫婦（C. F. Cori， G. T. Cori），和與他同年得獎(jiǎng)的奧喬亞（S. Ochoa）]都是諾貝爾獎(jiǎng)得主。朱利葉斯算是他所在學(xué)術(shù)譜系里第四代諾貝爾獎(jiǎng)得主。隨后，他加入哥倫比亞大學(xué)進(jìn)行博士后研究，導(dǎo)師是因發(fā)現(xiàn)嗅覺(jué)感受器而獲得2004年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的阿克塞爾（R. Axel）教授。
博士后階段，他利用一種DNA克隆技術(shù)——表達(dá)克?。╡xpression cloning）發(fā)現(xiàn)了五羥色胺受體1c[1]，這也是他后來(lái)用于尋找辣椒素受體的方法。這種方法就是在細(xì)胞中通過(guò)基因表達(dá)的載體，來(lái)構(gòu)建能產(chǎn)生基因編碼蛋白的表達(dá)克隆文庫(kù)，每個(gè)克隆表達(dá)一種蛋白質(zhì)，然后篩選該表達(dá)文庫(kù)的某種目標(biāo)特性，以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)克隆用于進(jìn)一步分析。
1990年，朱利葉斯加入加州大學(xué)舊金山分校建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展獨(dú)立研究工作至今。當(dāng)時(shí)盡管已經(jīng)知道辣椒素可特異性地作用于傷害性感受神經(jīng)元引起的痛覺(jué)，可對(duì)辣椒素在傷害性感受神經(jīng)元里的靶向受體是什么，依然未知。
我們的軀體感覺(jué)系統(tǒng)里面有一個(gè)很關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)叫背根神經(jīng)節(jié)，皮膚下的神經(jīng)末梢會(huì)把辣或者熱的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳遞到背根神經(jīng)節(jié)。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道背根神經(jīng)節(jié)的感覺(jué)神經(jīng)元對(duì)辣椒素敏感，所以朱利葉斯和他的博士后卡特林那（M. Caterina）就把大鼠的背根神經(jīng)節(jié)取出來(lái)，再把里面的RNA提取出來(lái)制備了一個(gè)cDNA文庫(kù)，然后把這個(gè)文庫(kù)里的DNA片段一批批放到一種原來(lái)對(duì)辣椒素不敏感的細(xì)胞里面去。他們假設(shè)辣椒素反應(yīng)是由單個(gè)基因介導(dǎo)的，只要把這個(gè)基因放到原來(lái)對(duì)辣椒素不敏感的細(xì)胞里，就可以讓這些細(xì)胞變得對(duì)辣椒素敏感。他們測(cè)試了16 000多個(gè)DNA片段，最終發(fā)現(xiàn)一個(gè)辣椒素受體基因——VR1（vanilloid receptor 1）。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，該基因編碼的蛋白質(zhì)屬于TRP（transient receptor potential）通道蛋白家族（這是一類(lèi)在外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布很廣泛的通道蛋白，有超過(guò)30個(gè)成員），因此這個(gè)蛋白又稱(chēng)TRPV1。雖然知道吃辣會(huì)帶給我們一種“火”辣辣的感覺(jué)，但起初他們也沒(méi)有想到熱和辣的感覺(jué)會(huì)是由同一個(gè)受體分子介導(dǎo)的。他們?cè)嚵烁鞣N各樣的刺激，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，TRPV1這個(gè)蛋白不僅可以被辣椒素激活，還會(huì)被43℃以上的熱溫度激活[2]。隨后朱利葉斯課題組和英國(guó)一家藥廠的進(jìn)一步研究都發(fā)現(xiàn)，缺乏TRPV1的小鼠幾乎沒(méi)有炎癥引發(fā)的熱痛覺(jué)過(guò)敏，提示TRPV1對(duì)于炎癥狀態(tài)下的疼痛感知很關(guān)鍵[3，4]。不過(guò)，TRPV1的缺乏并沒(méi)有導(dǎo)致正常狀態(tài)下傷害性熱感覺(jué)的完全缺失，這說(shuō)明必然還有其他熱感受器的存在?？茖W(xué)家把目光轉(zhuǎn)向其他TRP通道蛋白，最終發(fā)現(xiàn)TRPM3和TRPA1與TRPV1共同介導(dǎo)了傷害性熱刺激的感受[5]。
朱利葉斯的開(kāi)創(chuàng)性工作揭開(kāi)了人類(lèi)感受溫度和痛覺(jué)的分子機(jī)理。離子通道如同細(xì)胞膜上的一道閘門(mén)，它的開(kāi)關(guān)控制著離子進(jìn)出細(xì)胞。TRPV1受體作為一類(lèi)特殊的離子通道，特異性表達(dá)于傷害性感受神經(jīng)元，當(dāng)有辣椒素或者高溫刺激時(shí)，TRPV1通道的閘門(mén)就會(huì)打開(kāi)，細(xì)胞膜外的陽(yáng)離子通過(guò)其進(jìn)入細(xì)胞，造成細(xì)胞膜內(nèi)外的電壓變化。這便會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，沿著神經(jīng)纖維傳導(dǎo)，最終把信號(hào)傳遞到大腦皮層。后續(xù)的大量研究發(fā)現(xiàn)，各種引起炎癥或者疼痛的信號(hào)都能激活或者敏化TRPV1，因此，TRPV1除了被認(rèn)為是傷害性熱刺激或者辣椒素感受器之外，也是疼痛信號(hào)的關(guān)鍵處理器，所以大量實(shí)驗(yàn)室和藥物公司都在以TRPV1為靶點(diǎn)研發(fā)鎮(zhèn)痛藥物。
“多年以后，面對(duì)行刑隊(duì)，奧雷里亞諾·布恩迪亞上校將會(huì)想起父親帶他去見(jiàn)識(shí)冰塊的那個(gè)遙遠(yuǎn)的下午。”在小說(shuō)《百年孤獨(dú)》中，讓一位族長(zhǎng)式的人物在臨死前仍記憶猶新的，竟然是第一次接觸冰塊時(shí)，手上每一根神經(jīng)給他帶來(lái)的異樣感覺(jué)，以至于讓他驚呼：“它在燒！”。這里涉及另一種溫度感覺(jué)——冷感覺(jué)。
朱利葉斯通過(guò)辣椒素發(fā)現(xiàn)了熱感覺(jué)的分子受體TRPV1以后，他想用類(lèi)似策略尋找冷感覺(jué)的分子受體。他們聯(lián)想到會(huì)讓人覺(jué)得“涼”絲絲的薄荷，于是開(kāi)始尋找薄荷的提煉物——薄荷醇的分子受體。與尋找辣椒素受體的表達(dá)克隆策略一樣，他們假設(shè)薄荷醇反應(yīng)也是由單個(gè)基因介導(dǎo)的，只要把這個(gè)基因放到原來(lái)對(duì)薄荷醇不敏感的細(xì)胞里，就可以讓這些細(xì)胞變得對(duì)薄荷醇敏感。他們測(cè)試了從三叉神經(jīng)里提取制備的cDNA文庫(kù)中的1萬(wàn)多個(gè)DNA片段，最終發(fā)現(xiàn)了與TRPV1同屬TRP通道家族的薄荷醇受體TRPM8[6]，并進(jìn)一步證明TRPM8也是介導(dǎo)生理冷感覺(jué)的冷感受器[7]。
那時(shí)候，帕塔普蒂安（A. Patapoutian）也開(kāi)始進(jìn)行研究。與朱利葉斯相比，帕塔普蒂安的經(jīng)歷則要坎坷一些。他1967年出生于黎巴嫩首都貝魯特，是家中三個(gè)孩子里最小的一個(gè)。黎巴嫩從1975年到1990年一直在內(nèi)戰(zhàn)，他在貝魯特美國(guó)大學(xué)上了一年大學(xué)后就被軍隊(duì)抓了。幾個(gè)月后，18歲的他以難民身份來(lái)到美國(guó)洛杉磯。剛到美國(guó)的第一年，他過(guò)得很艱辛，為了生存，他打工送披薩，還每周幫當(dāng)?shù)匾患襾喢滥醽唸?bào)紙寫(xiě)星座運(yùn)勢(shì)賺錢(qián)。后來(lái)他獲得了加州大學(xué)洛杉磯分校的錄取通知，重啟大學(xué)生活。在大學(xué)里，為了獲得教授的推薦信去申請(qǐng)醫(yī)學(xué)院，他加入倫吉爾（J. A. Lengyel）的果蠅發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)分子生物學(xué)。當(dāng)?shù)弥x研究生可以拿到每個(gè)月1000美元的津貼（多么樸素的理由?。?，他毅然棄醫(yī)從理，申請(qǐng)去加州理工學(xué)院讀博士，導(dǎo)師是沃爾德（B. Wold）教授。1996年，他加入朱利葉斯所在的加州大學(xué)舊金山分校進(jìn)行博士后研究，導(dǎo)師是賴卡特（L. Reichardt）教授。2000年，帕塔普蒂安加入位于南加州圣地亞哥的斯克里普斯研究所，建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展獨(dú)立研究工作至今。受到熱感受器TRPV1發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，他對(duì)尋找冷感受器也充滿了興趣，幾乎是同時(shí)，帕塔普蒂安的實(shí)驗(yàn)室也發(fā)現(xiàn)了TRPM8是冷感受器。
“觸覺(jué)先于視覺(jué)，先于語(yǔ)言。它是最初之語(yǔ)也是最后之語(yǔ)，它從不說(shuō)謊（Touch comes before sight， before speech. It is the first language and the last， and it always tells the truth）。” 加拿大著名小說(shuō)家、詩(shī)人阿特伍德（M. Atwood）在她的小說(shuō)《盲眼刺客》（The Blind Assassin）里如此描述觸覺(jué)。發(fā)現(xiàn)新的溫度感受器后，帕塔普蒂安沒(méi)有停下探索的腳步，開(kāi)始把目光移向機(jī)械力感受器。他和他的博士后科斯特（B. Coste）首先找到了一種特殊的細(xì)胞，這種細(xì)胞會(huì)對(duì)機(jī)械力有反應(yīng)，當(dāng)用一個(gè)玻璃電極去戳這個(gè)細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的電流，并能夠被特殊的電生理儀器——膜片鉗系統(tǒng)采集到。然后，他們挑選了300多個(gè)在這類(lèi)細(xì)胞里高表達(dá)的膜蛋白基因，用RNA干擾技術(shù)一一抑制這些候選基因的表達(dá)，再觀測(cè)細(xì)胞對(duì)機(jī)械力刺激的電反應(yīng)有無(wú)變化。當(dāng)篩到第72個(gè)基因時(shí)，他們觀察到細(xì)胞受機(jī)械力刺激產(chǎn)生的電流極大地減小了，這意味著該基因?qū)τ诩?xì)胞機(jī)械力感受反應(yīng)是必需的。他們給這個(gè)基因起名“Piezo1”，Piezo 源自希臘語(yǔ)的“壓力”[8]。隨后，通過(guò)基因序列比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因所在家族中還有另外一個(gè)成員“Piezo2”，并通過(guò)后續(xù)一系列研究，證明Piezo2基因編碼介導(dǎo)觸覺(jué)和本體感覺(jué)的機(jī)械力感受器[9，10]。
Piezo分子可以表達(dá)在包括感覺(jué)神經(jīng)元、血管內(nèi)皮細(xì)胞、紅細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、上皮細(xì)胞以及成骨細(xì)胞等多種細(xì)胞類(lèi)型中，參與身體內(nèi)各種組織器官和生理過(guò)程的機(jī)械力感知。其中，Piezo1參與血管發(fā)育、紅細(xì)胞體積調(diào)節(jié)、骨骼生成和修復(fù)、腸蠕動(dòng)和結(jié)腸炎等多種生理病理過(guò)程。而Piezo2則是初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元和皮膚感受器細(xì)胞（如Merkel細(xì)胞，一種位于神經(jīng)末梢的樹(shù)枝狀細(xì)胞）上的機(jī)械力感受器，除了介導(dǎo)觸覺(jué)和本體感覺(jué)以外，Piezo2還能介導(dǎo)被敏化的機(jī)械痛覺(jué)，以及呼吸調(diào)節(jié)和排尿的生理過(guò)程。肺鼓脹到一定程度，分布在肺部的感覺(jué)神經(jīng)可感知肺牽拉，把信號(hào)傳遞給大腦，調(diào)整呼吸節(jié)奏，這種對(duì)肺牽拉的機(jī)械力感知就是Piezo2介導(dǎo)的；膀胱充盈產(chǎn)生尿意，Piezo2幫助感覺(jué)神經(jīng)元感知膀胱充盈產(chǎn)生的機(jī)械力刺激。
受新冠疫情影響，新冠疫苗研究的相關(guān)成果成為很多人預(yù)想中今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)熱點(diǎn)，而結(jié)果使大家覺(jué)得今年的諾獎(jiǎng)項(xiàng)目“爆冷”；即使朱利葉斯和帕塔普蒂安認(rèn)為自己遲早會(huì)獲獎(jiǎng)，他們自己可能也沒(méi)想到今年會(huì)獲獎(jiǎng)。所以，兩位教授獲知自己得獎(jiǎng)的方式都很有趣。由于時(shí)差，頒獎(jiǎng)委員會(huì)公布結(jié)果的時(shí)間，對(duì)于身處美國(guó)加州的朱利葉斯和帕塔普蒂安都不算友好（半夜兩點(diǎn)半），兩位教授都沒(méi)在第一時(shí)間接到頒獎(jiǎng)委員會(huì)的電話。朱利葉斯先是收到來(lái)自他嫂子的信息：“瑞典有個(gè)叫佩爾曼（委員會(huì)總秘書(shū)）的人找到了我，想給你打電話，我不想把你的電話號(hào)碼給他，但我在網(wǎng)上搜了下，他似乎還挺靠譜的，所以我要了他的電話，你可以自己打回去?！敝炖~斯的太太英格勒厄姆（H.Ingraham）也是加州大學(xué)舊金山分校的教授，她認(rèn)識(shí)佩爾曼，于是他們決定給他回個(gè)電話，看看是否是她熟悉的聲音。電話打通了，確實(shí)是。但是電話那邊的佩爾曼說(shuō)他只能聊三分鐘了，因?yàn)樵龠^(guò)五分鐘，他就要去開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)宣布這個(gè)消息，他們可以自己上網(wǎng)看直播。于是朱利葉斯和太太一起泡了杯咖啡，在廚房看起了直播。而帕塔普蒂安教授則是先接到了自己住在洛杉磯的92歲老父親的電話，告訴他頒獎(jiǎng)委員會(huì)因?yàn)榇虿煌ㄋ氖謾C(jī)（晚上開(kāi)了免打擾模式），找到了自己。幸運(yùn)的是，他父親知道怎么繞過(guò)免打擾模式找到他。
科學(xué)家們對(duì)TRP通道和Piezo通道的研究，從分子水平上揭開(kāi)了人體感知溫度和機(jī)械力的神秘面紗，雖然戴上諾獎(jiǎng)皇冠的人只有朱利葉斯和帕塔普蒂安二位，但研究成果的背后也離不開(kāi)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)諸多其他科學(xué)家的貢獻(xiàn)。其中，兩位華人科學(xué)家的研究工作，都起到了舉足輕重的作用，一位是朱利葉斯多年的合作伙伴、加州大學(xué)舊金山分校的程亦凡教授，他解析了包括TRPV1在內(nèi)的多個(gè)TRP通道的分子結(jié)構(gòu)；另一位是帕塔普蒂安曾經(jīng)的博士后、現(xiàn)就職于清華大學(xué)藥學(xué)院的肖百龍教授，他解析了Piezo1和Piezo2通道的分子結(jié)構(gòu)。他們的工作，為我們理解溫度和機(jī)械力感受器是如何工作的，提供了關(guān)鍵信息，在此也應(yīng)當(dāng)被銘記。
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關(guān)鍵詞：離子通道 熱感受器 冷感受器 痛覺(jué)感受器機(jī)械力感受器 ■
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