Как мы научились чувствовать тепло и прикосновение: история Нобелевской премии 2021 года

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2021 года получили Ардем Патапутян и Дэвид Джулиус за исследования рецепторных каналов, благодаря которым мы воспринимаем прикосновение и температуру. Соматосенсорная чувствительность — общее название чувств, позволяющих нам безопасно взаимодействовать с физическими воздействиями как окружающего мира, так и собственного организма, — стала четвёртой сенсорной системой, отмеченной Нобелевским комитетом. История открытия каналов TRP и PIEZO, а затем изучения их многочисленных функций — от восприятия приятной и болезненной температуры до прикосновения, боли, давления и положения тела — наглядно показывает, как достижения фундаментальной науки становятся основой исследований здоровья и заболеваний человека и животных.

Способность правильно воспринимать окружающий мир жизненно важна. Мы избегаем испорченной пищи, видим и слышим приближающийся автомобиль, чувствуем запах утечки газа и отдёргиваем руку от раскалённой плиты. Все чувства действуют сообща, помогая нам остаться в живых. Неудивительно, что Нобелевский комитет по физиологии и медицине неоднократно отмечал исследования молекулярных и клеточных механизмов сенсорного восприятия.

За открытия, связанные со слухом, премию присудили в 1961 году, со зрением — в 1967-м, с обонянием — в 2004-м. В 2021 году её лауреатами стали Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян — учёные, открывшие рецепторы, которые помогают нам чувствовать температуру и прикосновение.

Истоки этой истории уходят к работам другой пары нобелевских лауреатов. В 1944 году Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер получили такую же премию за исследования возникновения потенциалов действия в периферических нервных волокнах разных типов. Описанные ими нейроны участвуют в передаче болевых сигналов. Но каким образом нейрон превращает повреждающее физическое воздействие — например, высокую температуру или давление — в электрический нервный импульс?

В 1990-е годы Дэвид Джулиус попытался ответить на этот вопрос, воспользовавшись необычным свойством некоторых природных веществ: они вызывают ощущения, похожие на температурные. Самый известный пример — капсаицин, вещество, из-за которого перец чили кажется жгучим.

Джулиус и его коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Франциско выбрали рискованный, требующий огромного объёма проверок подход. Они получили тысячи клонов комплементарной ДНК из нейронов спинномозговых узлов и поочерёдно переносили их группами в клетки эмбриональной почки. Затем учёные проверяли, в каких клетках капсаицин вызывает повышение внутриклеточного кальция (Caterina и соавт., 1997).

Постепенно уменьшая число генов в исследуемых группах и наблюдая за кальциевыми сигналами, исследователи обнаружили у млекопитающих родственника ионного канала TRP (transient receptor potential), ранее найденного в фоторецепторах плодовой мушки Drosophila melanogaster. Впоследствии канал получил название TRPV1. Выяснилось, что он присутствует в температурочувствительных нейронах и реагирует как на капсаицин, так и на болезненно высокую температуру.

Джулиус и независимо от него Патапутян продолжили изучение других представителей семейства TRP у млекопитающих. Они установили, что TRPM8 реагирует на охлаждение, а также объясняет ощущение прохлады от ментола и ицилина (McKemy и соавт., 2002; Peier и соавт., 2002). Другой канал, TRPA1, был описан как реагирующий на холод и вещества, содержащиеся в хрене, чесноке, васаби и горчице (Story и соавт., 2003). За последующие годы стало ясно, что каналы TRP обеспечивают разнообразные сенсорные функции у разных организмов.

У некоторых змей родственный TRPA1 канал служит своеобразным инфракрасным датчиком. А у верблюдов и отдельных видов сусликов обнаружен вариант TRPV1, который позволяет переносить значительно более высокую температуру окружающей среды (Laursen и соавт., 2016).

Эти открытия открыли множество путей для прикладных исследований. Из-за высокого риска зависимости от наркотических обезболивающих фармацевтические компании обратили внимание на каналы TRP как на возможные мишени для новых анальгетиков. Исследования продвинулись после того, как в 2013 году удалось определить пространственную структуру TRPV1 (Koivisto и соавт., 2021).

Умеренное тепло иногда помогает облегчить боль в мышцах или суставах, а чрезмерный нагрев, напротив, причиняет боль. По этой причине лечебный интерес представляют как агонисты, активирующие определённые TRP-каналы, так и антагонисты, блокирующие их работу. Например, агонист TRPV1 MRD-652, не вызывающий чувства жжения, показал обнадёживающие результаты на модели заболевания у мышей. Другой аналог капсаицина, резинифератоксин, оказался эффективным для облегчения боли у собак с раком костей.

Однако клинические испытания первого поколения антагонистов TRPV1 у людей в основном были неудачными. Некоторые пришлось прекратить досрочно из-за опасных побочных эффектов: участники получали ожоги, поскольку хуже ощущали повреждающее тепло. Позднее препарат второго поколения маватреп продемонстрировал способность уменьшать боль при остеоартрите, причём его побочные эффекты оказались более переносимыми (Koivisto и соавт., 2021). Здесь и далее речь идёт о состоянии исследований на момент выхода оригинальной статьи в 2021 году.

Примерно через десять лет после первого описания TRPV1 Ардем Патапутян и его сотрудники из исследовательского института Скриппса в Ла-Хойе (Калифорния) начали похожий поиск — на этот раз они хотели найти механические сенсоры, благодаря которым нейроны реагируют на физическое прикосновение.

Сначала исследователи обнаружили линию клеток нейробластомы мыши, чувствительных к механическому воздействию. Предположив, что за эту чувствительность отвечает катионный канал, они составили список из 72 каналов и белков с неизвестной функцией, которые особенно активно присутствовали в этих клетках.

Затем команда Патапутяна последовательно подавляла экспрессию каждого кандидата при помощи малых интерферирующих РНК (siRNA) и регистрировала электрические ответы клеток на давление. Это была выдающаяся по трудоёмкости серия экспериментов, за которой мне посчастливилось наблюдать лично. Прошло больше года непрерывной работы. Проверка за проверкой — и никакого результата.

Но когда исследователи подавили экспрессию последнего белка с неизвестной функцией, они обнаружили резкое снижение входящего ионного тока в ответ на давление. Затем этот канал экспрессировали в клетках эмбриональной почки и показали, что благодаря ему клетки становятся чувствительными к механическому воздействию. Так учёные доказали, что найденный белок необходим и достаточен для наблюдаемой механочувствительности. В 2010 году команда Патапутяна сообщила об обнаружении первого механочувствительного ионного канала млекопитающих, названного PIEZO1 — от греческого слова, означающего «давление» (Coste и соавт., 2010).

Патапутян быстро понял, что у позвоночных существует второй похожий канал — PIEZO2. Его лаборатория сосредоточилась на том, какую роль оба канала играют в сложной системе соматосенсорной чувствительности целого организма.

Мышиные эмбрионы без функционирующего гена Piezo1 погибают в середине внутриутробного развития из-за нарушений перестройки сосудов. Для правильного развития сосудистой сети эндотелиальным клеткам необходимо ощущать сдвиговое напряжение, создаваемое кровотоком; в этом участвует PIEZO1 (Ranade и соавт., 2014a). Исследования мышей, у которых ген выключали или усиливали в отдельных тканях, помогли выявить дополнительные функции PIEZO1 в заживлении ран, фагоцитозе макрофагов, обновлении и устойчивости эритроцитов.

Мыши без Piezo2, напротив, могут выживать. Однако исследователи обнаружили у них серьёзные нарушения восприятия лёгкого прикосновения и менее выраженное снижение реакции на болезненное механическое воздействие (Ranade и соавт., 2014b). У таких мышей нарушен контроль мочевого пузыря. Люди с мутациями, приводящими к утрате функции PIEZO2, плохо чувствуют наполнение мочевого пузыря и сообщают об особенностях мочеиспускания (Marshall и соавт., 2020).

У мышей, у которых PIEZO2 отсутствует в проприоцептивных нейронах, нарушена координация движений и появляются необычные движения конечностей. В наружных волосковых клетках улитки у мышей PIEZO2 необходим для восприятия ультразвука, но не звуков низкой частоты (Li и соавт., 2021). В чувствительных нейронах блуждающего нерва PIEZO2 помогает ощущать растяжение дыхательных путей и наполнение лёгких воздухом (Nonomura и соавт., 2017). Таким образом, этот канал участвует в восприятии механических процессов как внутри организма, так и во внешнем мире.

Взаимодействие двух PIEZO-каналов особенно ярко проявилось в исследовании 2018 года о молекулярных основах барорефлекса — механизма, который помогает поддерживать артериальное давление относительно стабильным. Учёные избирательно выключили оба канала, PIEZO1 и PIEZO2, в определённых чувствительных нервных узлах мышей. Это привело к исчезновению барорефлекса и более выраженным колебаниям артериального давления (Zeng и соавт., 2018).

Позднее Патапутян и другие исследователи изучали функцию PIEZO у плодовых мушек Drosophila melanogaster, нематод Caenorhabditis elegans и растений Arabidopsis thaliana. Совокупность этих работ показывает, что каналы PIEZO занимают центральное место в соматосенсорных системах эукариот: они важны для восприятия боли, прикосновения, сдвигового напряжения, положения тела и множества процессов, поддерживающих постоянство внутренней среды.

История некоторых Нобелевских премий начинается с удачной случайности, внезапного озарения или простого везения. Знаменитый пример — лауреат 1993 года Кэри Муллис, который называл идею полимеразной цепной реакции «случайностью».

История TRP и PIEZO — пример совсем другого пути. Здесь выдающиеся фундаментальные открытия родились из любознательности, настойчивости, упорства и технического мастерства. Исследования прошли путь от клеточных экспериментов и животных моделей до генетики человека и трансляционной медицины. Для всех, кто интересуется механизмами заболеваний, это по-настоящему достойный повод для праздника.

Пандемия COVID-19 сделала особенно заметным ещё одно возможное применение фундаментальных исследований Джулиуса и Патапутяна, связанных с восприятием температуры. Люди, утратившие обоняние или вкус — при аносмии и агевзии соответственно, — часто теряют интерес к пище, потому что уже не могут полноценно ощущать её вкус и аромат. Похожее наблюдается при старении: ухудшение хемосенсорного восприятия может способствовать недостаточному питанию и кахексии.

Эти состояния встречаются нередко, однако им долго уделяли недостаточно внимания даже медицинские специалисты. Положение изменилось почти за одну ночь в 2020 году, когда потерю обоняния и вкуса стали широко связывать с COVID-19 и его длительными последствиями.

Осторожное изменение остроты и температуры пищи, позволяющее активировать каналы TRP, рассматривается как способ улучшить интерес к еде при старении и нарушениях хемосенсорного восприятия у людей и животных (Aschenbrenner и соавт., 2008; Eyre и соавт., 2021).

Благодарю Рэйчел Лардер за полезные обсуждения и редакторскую помощь.

Библиография оригинальной статьи, включая работы Caterina и соавт. (1997), Coste и соавт. (2010), McKemy и соавт. (2002), Peier и соавт. (2002), Ranade и соавт. (2014), Marshall и соавт. (2020), Zeng и соавт. (2018) и Koivisto и соавт. (2021), доступна в полном объёме на странице оригинальной публикации ↗.