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撰文｜付小雨   褚劉薇   沈偉（上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

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人類如何感知、理解和重建外部世界？從新生兒第一次睜開雙眼，聽到母親第一聲溫柔的呼喚開始，龐大而精妙的感覺系統(tǒng)就開始一刻也不停歇地運(yùn)作起來，讓我們得以欣賞美景，嗅聞花香，聆聽音樂，品嘗美食。

圖1 感覺系統(tǒng)原理圖（褚劉薇）

2021年10月4日，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)宣布授予美國(guó)研究者大衛(wèi)·朱利葉斯（David Julius）和阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），以獎(jiǎng)勵(lì)他們關(guān)于 “發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺受體” 的突破性成就，在人類理解自身與外部世界交互的歷史上寫下了彌足輕重的一筆。

今天，我們就來談?wù)勥@兩種分別源于 “能嘗出辣味的細(xì)胞” 和 “失去觸覺的細(xì)胞” 的非典型感覺受體的發(fā)現(xiàn)。

能嘗出辣味的細(xì)胞

人們滿頭大汗，齜牙咧嘴，卻仍然不斷地把筷子伸進(jìn)漂浮著辣椒的通紅火鍋，邊吃邊直喊 “辣得爽”。“辣” 為何讓他們著迷？“辣-熱-痛” 之間到底存在什么樣的神秘聯(lián)系？“辣”能夠?yàn)槿祟惻c客觀世界交互打開什么樣的獨(dú)特窗口？

圖2 人們?cè)诔岳睍r(shí)會(huì)感到痛和熱 | 褚劉薇

“辣” 的故事，要從一只 “失明” 的果蠅講起。1969年，在愛丁堡大學(xué)這所有著500多年歷史的古老大學(xué)里，動(dòng)物學(xué)系的兩名研究者 D. J. Cosens 和 Aubrey Manning 正忙碌著觀察一只 “失明” 的果蠅。這只果蠅，基因發(fā)生了突變，病癥十分奇特，在低環(huán)境光下有著像正常果蠅一樣的趨光性，但當(dāng)給予連續(xù)光刺激時(shí)，卻表現(xiàn)出失明癥狀，無法像正常果蠅一樣調(diào)整姿勢(shì)而趨向有光的一側(cè)，只能毫無方向、跌跌撞撞地飛行。在醫(yī)院里，醫(yī)生通常用心電圖儀監(jiān)測(cè)病人心臟。而在實(shí)驗(yàn)室里，兩位研究者利用神經(jīng)場(chǎng)電位記錄技術(shù)（filed potential）監(jiān)測(cè)這只生病的果蠅的視網(wǎng)膜。果然，在視網(wǎng)膜電流圖（ERG）的記錄中，他們發(fā)現(xiàn)這只突變體果蠅表現(xiàn)出了畸形的樣式，不能像野生型那樣在受到光刺激時(shí)維持持久的視網(wǎng)膜電位變化（圖3）[1]。隨后，根據(jù)視網(wǎng)膜電流圖中出現(xiàn)的瞬時(shí)電位的特征，這個(gè)突變基因被命名為trp（transient receptor potential）[2]。

圖3 TRP突變體果蠅視網(wǎng)膜電流圖 [1]  注：A，30s連續(xù)光照下野生型果蠅視網(wǎng)膜電流；B，30s連續(xù)光照下TRP突變體果蠅無法維持持久的視網(wǎng)膜電位變化。

不過隨后十幾年的時(shí)間里，受分子生物學(xué)的發(fā)展所限，始終不見關(guān)于trp 基因的新研究。直到20世紀(jì)80年代生物學(xué)進(jìn)入風(fēng)起云涌的基因克隆時(shí)代，才有相關(guān)的研究進(jìn)展。當(dāng)時(shí)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校 Gerald Rubin 實(shí)驗(yàn)室的博士后 Craig Montell 利用該實(shí)驗(yàn)室剛剛開發(fā)出的果蠅轉(zhuǎn)基因技術(shù) [3,4]，將疑似含有trp 的DNA片段通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入 “失明” 果蠅的基因組，“失明” 癥狀果然消失了 [5]。隨后，他又利用分子生物學(xué)克隆出了trp 的DNA序列，并預(yù)測(cè)這可能是一個(gè)離子通道蛋白基因 [6]（圖4）。

圖4 挽救trp基因突變性狀trp基因的克隆 [5,6]  注：左，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)使trp基因突變果蠅可以重新維持持久的視網(wǎng)膜電位變化；右上，對(duì)突變等位基因trp的RNA分析；右下，TRP蛋白預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。

隨著基因組學(xué)的發(fā)展，人們很快發(fā)現(xiàn)在哺乳動(dòng)物中有超過30個(gè)TRP通道家族成員，包含7個(gè)亞族 [7]。但是這些蛋白到底有什么生理作用呢？是否具有保守的視覺傳導(dǎo)功能？在上個(gè)世紀(jì)末這一切都還是未知的，直到本次諾獎(jiǎng)得主加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的朱利葉斯成功克隆辣椒素受體，才掀起了TRP研究的熱潮?，F(xiàn)在人們知道，TRP家族蛋白不僅參與光感應(yīng)，還感應(yīng)溫度和刺激性化學(xué)物質(zhì)，并參與腫瘤遷移等，具有非常豐富的生物學(xué)功能。

朱利葉斯自研究生時(shí)代就對(duì)植物的天然產(chǎn)物，如辣椒素、薄荷醇、芥末等等，是如何被人類感知的充滿巨大的好奇。他說，“當(dāng)我走在超市里，貨架上一排排辣椒醬簡(jiǎn)直是在乞求我去探索它們被感知的奧秘?！?1990年代后期，他進(jìn)行了一項(xiàng)鑒定辣椒素受體的項(xiàng)目?；谏鲜兰o(jì)中葉科學(xué)家們對(duì)辛辣食物時(shí)會(huì)產(chǎn)生灼燒感這一現(xiàn)象的關(guān)注，朱利葉斯認(rèn)為了解辣椒素的作用可以提供對(duì)疼痛信號(hào)的深入了解。

值得一提的是，朱利葉斯的博士和博士后導(dǎo)師均為諾獎(jiǎng)獲得者。其博士導(dǎo)師之一 Randy Schekman（另一位為Jeremy Thorner）因揭示突觸傳導(dǎo)機(jī)制而獲獎(jiǎng)；其博士后導(dǎo)師 Richard Axel 因克隆嗅覺受體而獲獎(jiǎng)。Julies在博后期間通過表達(dá)克隆與電生理分析相結(jié)合的方式，成功分離出了編碼5-羥色胺受體1C的基因（圖5）[8]。這為他后期克隆辣椒素受體奠定了基礎(chǔ)。

圖5 5-羥色胺受體1c的表達(dá)克隆[8]

朱利葉斯在UCSF獲得獨(dú)立教職后，決定與博士后研究員 Michael J. Caterina 采用他博后期間開發(fā)的這套克隆方法，對(duì)辣椒素受體進(jìn)行無偏見的功能篩選，其假設(shè)是單個(gè)基因可以在通常對(duì)辣椒素不敏感的細(xì)胞中賦予辣椒素敏感性。為了找到這個(gè)假定的基因，Julius和同事從嚙齒動(dòng)物背根神經(jīng)節(jié)——其中包含辣椒素激活的感覺神經(jīng)元的細(xì)胞體——中制作了一個(gè)cDNA文庫(kù)。用這些cDNA批次轉(zhuǎn)染對(duì)辣椒素不敏感的細(xì)胞，期待最終找到能 “嘗出辣味” 的單個(gè)cDNA克隆?？墒羌?xì)胞不會(huì)說話，科學(xué)家是怎么知道它們能嘗出辣來呢？幸好，有鈣成像這項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)。鈣成像技術(shù)是指利用鈣離子指示劑（如Fura2等）監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的方法，允許細(xì)胞使用熒光強(qiáng)度作為自己的語言。有了這項(xiàng)技術(shù)，原本悄無聲息的離子濃度變化就變成了一幅可視影像。

經(jīng)過兩三年對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的艱難摸索，Caterina和Julius驚喜地發(fā)現(xiàn)，加入辣椒素后，一盤原本在顯微鏡視野里毫無波瀾的細(xì)胞開始閃爍，像黑夜里的星星一般散發(fā)出迷人的光芒（圖6，A）。這正是上面所提到的TRP蛋白家族的一員——TRPV1蛋白的功勞 [9]：辣椒素與V1受體（當(dāng)時(shí)被叫做V1）結(jié)合，打開離子通道，引起鈣離子胞內(nèi)濃度的迅速增加。Caterina和Julius還發(fā)現(xiàn)，TRPV1通道也能被高溫激活而開放，其激活閾值為~40°C，接近熱痛的心理物理閾值。此外，為了證明TRPV1蛋白自身可被熱刺激激活，Julius實(shí)驗(yàn)室將純化后的TRPV1蛋白重構(gòu)于人工脂質(zhì)體上，發(fā)現(xiàn)其仍然具有溫度感受功能 [10]。于是，TRPV1的發(fā)現(xiàn)完美的解釋了為何吃辣椒總是感到熱的現(xiàn)象。至此，一個(gè)由好奇心驅(qū)動(dòng)的研究，意外揭開了TRP蛋白在哺乳動(dòng)物中功能的神秘面紗。

圖6 辣椒素受體TRPV1的發(fā)現(xiàn) [9]  注：A，用cDNA克隆庫(kù)轉(zhuǎn)染的HEK293細(xì)胞。在DRG-11池中，一些細(xì)胞對(duì)辣椒素有反應(yīng)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，鑒定了一個(gè)對(duì)應(yīng)于TPRV1(VR1)的克??；B，表達(dá)VR1的卵母細(xì)胞對(duì)辣椒素(10 M)和四種辣椒提取物的反應(yīng)

在生理意義上，TRPV1作為唯一被辣椒素激活的受體的作用及其在轉(zhuǎn)導(dǎo)辣椒素的傷害性、炎癥和高熱效應(yīng)方面的重要作用，在小鼠中得到證實(shí)。缺乏Trpv1 基因的動(dòng)物僅表現(xiàn)出對(duì)急性傷害性熱刺激的痛覺反應(yīng)下降，并降低了對(duì)炎癥性痛覺過敏（hyperalgesia）的熱敏感性 [11]。不過，Trpv1 的缺乏并沒有導(dǎo)致這些感覺完全消失，說明必然有其他熱敏蛋白存在?？茖W(xué)家把目光轉(zhuǎn)向其他TRP通道蛋白，最終在18年之后鑒定出TRPM3和TRPA1與TRPV1共同介導(dǎo)了傷害性熱刺激的感受 [12-14]。

最初尋找辣椒素受體的時(shí)候，人們并沒有想到它同時(shí)是感受熱的受體，在這一關(guān)聯(lián)建立之后，Julius實(shí)驗(yàn)室對(duì)被視作清涼劑的薄荷醇的受體克隆充滿信心。果然，Julius實(shí)驗(yàn)室和此次另一位諾貝爾獎(jiǎng)得主Ardem Patapoutian實(shí)驗(yàn)室在2002年分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了薄荷醇的受體TRPM8，并證明這個(gè)TRP通道是寒冷的感覺傳感器 [15,16]。Trpm8 缺失會(huì)導(dǎo)致小鼠對(duì)無害寒冷感覺的明顯缺失 [17-19]。這些研究說明在進(jìn)化上TRP通道具有通用的溫度感受作用，并在果蠅、線蟲、蚊子、蛇等多種動(dòng)物中得到了驗(yàn)證 [7,20]。

圖7 熱刺激與冷刺激感受器及對(duì)應(yīng)的激動(dòng)劑 | 褚劉薇

生物分子的結(jié)構(gòu)對(duì)闡明結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系及藥物開發(fā)至關(guān)重要，TRPV1結(jié)構(gòu)的解析由Julius和程亦凡實(shí)驗(yàn)室在2013年合作通過冷凍電子顯微鏡解析 [21,22]，是第一個(gè)通過冷凍電鏡解析的膜蛋白結(jié)構(gòu)。從冷凍電鏡結(jié)果上看，TRPV1有兩個(gè)控制離子通過的位點(diǎn)，在陽離子傳導(dǎo)孔的兩端形成兩個(gè)突出的物理結(jié)構(gòu)，辣椒素的結(jié)合位點(diǎn)位于靠近細(xì)胞質(zhì)側(cè)的膜深處的口袋。最近的一項(xiàng)結(jié)構(gòu)研究表明，有害熱量會(huì)在辣椒素結(jié)合的TRPV1 通道中產(chǎn)生兩種構(gòu)象門控轉(zhuǎn)變：第一個(gè)過渡態(tài)為通道打開做好準(zhǔn)備，而第二個(gè)過渡態(tài)導(dǎo)致通道打開 [23]。TRPV1通道的結(jié)構(gòu)研究提供了對(duì)其離子滲透、配體識(shí)別和門控機(jī)制的重要見解，但尚未完全解釋其熱激活機(jī)制。

以TRPV1 通道為代表的溫度感受器的發(fā)現(xiàn)，不僅在基礎(chǔ)生理理解上有突破性的意義，也為開發(fā)新型鎮(zhèn)痛藥物提供了靶點(diǎn)。除了作為疼痛感受器，TRP通道也在呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)疾病如哮喘、心衰等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，在前列腺癌等多種癌癥以及中風(fēng)、皮膚病等多種疾病中被報(bào)道有所參與。目前靶向TRPV1和TRPM8等離子通道蛋白的鎮(zhèn)痛小分子化合物，已有多個(gè)在進(jìn)行臨床試驗(yàn) [24]。國(guó)內(nèi)科學(xué)家浙江大學(xué)楊巍、郭江濤、楊帆，南昌大學(xué)張進(jìn)等在TRP通道的結(jié)構(gòu)研究和藥物研發(fā)上取得很多成果 [25-31]。

失去觸覺的細(xì)胞

如前所述，Ardem Patapoutian 作為寒冷感受器TRPM8的共同發(fā)現(xiàn)者，活躍在感覺受體研究領(lǐng)域。值得一提的是，這位出生于黎巴嫩的亞美尼亞裔美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家，經(jīng)歷比Julius坎坷許多。他在戰(zhàn)火的陰影下生活了19年后，于1986年移居美國(guó)，輾轉(zhuǎn)之后于1990年獲得加州大學(xué)洛杉磯分校細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)學(xué)士學(xué)位，就此開啟了他此前未敢想象的科學(xué)家生涯。他不滿足僅僅是跟蹤者的角色，決定挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的人類的機(jī)械力感受機(jī)制。

機(jī)械力感受無處不在。路人的摩肩接踵，來自朋友的擁抱，戀人之間的肌膚相親，父母落在孩童額上的吻，新冠疫情期間的隔離，讓很多人意識(shí)到這些原本司空見慣的來自他人的 “機(jī)械力” 彌足珍貴；當(dāng)我們困在鋼筋森林，拂面的清風(fēng)，滴落在手心的雨點(diǎn)，粗糙的樹干和嬌嫩的花瓣，大自然給予我們的 “機(jī)械力” 也變得令人想念。然而，感知機(jī)械力對(duì)我們的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。我們身體也在每時(shí)每刻給予自己機(jī)械力——站立、行走、排尿、血壓、呼吸、細(xì)胞分化運(yùn)動(dòng)等等生理活動(dòng)都與機(jī)械力感受有密不可分的關(guān)系，這也就意味著體內(nèi)幾乎所有細(xì)胞都有一定程度的感受機(jī)械力的能力。因此，很難找到一種原本對(duì)觸覺毫無響應(yīng)的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)TRPV1的那套方法也就很可能行不通。對(duì)機(jī)械力感知受體的探索無疑是困難的，Patapoutian將其稱為 “房間里的大象”，重要卻無人敢碰。

面對(duì)這個(gè)艱巨的任務(wù)，Patapoutian與其博士后 Bertrand Coste 勇敢地做出了自己的嘗試，他們從一種小鼠神經(jīng)瘤母細(xì)胞（N2A）入手。當(dāng)被移液管用極微小的力輕戳?xí)r，這種細(xì)胞會(huì)釋放一個(gè)可測(cè)量的電流。然后，Coste和Patapoutian依次敲除300多個(gè)候選基因，通過觀察哪批細(xì)胞突然失去了機(jī)械力敏感性，確定相關(guān)基因。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間不懈努力，最終確定清單上的72號(hào)候選基因具此功能（圖8）。他們把這個(gè)基因取名為Piezo1 ——在希臘語里是壓力的意思。由于與Piezo1 基因的相似性，課題組發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)基因被命名為Piezo2 [32]。隨后，Coste和另外一個(gè)博士后肖百龍（現(xiàn)在清華大學(xué)任職）通過單通道膜片鉗證明這兩個(gè)蛋白的確是機(jī)械力敏感的離子通道 [33]。

圖8 通過在機(jī)械敏感細(xì)胞系中敲除候選基因來尋找機(jī)械感受受體| 圖源：nobelprize.org 注：上圖，當(dāng)敲除的基因?yàn)闄C(jī)械感受受體時(shí)，機(jī)械力敏感的細(xì)胞將不會(huì)再產(chǎn)生電流；下圖，PIEZO通道蛋白結(jié)構(gòu)示意圖。

PIEZO蛋白代表了一類全新的脊椎動(dòng)物機(jī)械敏感通道，與之前已知的離子通道家族沒有任何相似之處。它們是迄今為止鑒定出的最大的跨膜離子通道亞基。肖百龍、Patapoutian、楊茂君、李雪明、Roderick MacKinnon等實(shí)驗(yàn)室的工作揭示了PIEZO1和PIEZO2的高分辨率結(jié)構(gòu)，并表明這些通道形成具有中心離子傳導(dǎo)孔和三個(gè)外圍大型機(jī)械傳感螺旋槳形葉片的同三聚體結(jié)構(gòu) [34,35]，當(dāng)對(duì)膜施加機(jī)械力時(shí)，彎曲的葉片變平并導(dǎo)致中心孔的開口，帶有彎曲葉片的螺旋槳狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的平面內(nèi)膜面積膨脹，從而感知到精細(xì)機(jī)械力 [36,37]。

然而，機(jī)械力打開中心孔的確切機(jī)制仍未完全了解。目前已經(jīng)知道的是，通過其機(jī)械敏感性，PIEZO通道在許多細(xì)胞類型中充當(dāng)多功能機(jī)械傳感器，并將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電化學(xué)信號(hào)。Patapoutian很快確認(rèn)了PIEZOs為哺乳動(dòng)物體內(nèi)壓力感應(yīng)的必需基因。他的研究表明，PIEZOs可形成離子通道，它們直接負(fù)責(zé)皮膚內(nèi)默克爾細(xì)胞（Merkel cells）和觸覺終端，以及本體感受器（感覺神經(jīng)末梢位于肌肉內(nèi)的感受器，可以感受身體在空間的位置、姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)并做出反應(yīng)）的壓力感測(cè) [38,39]（圖9）。PIEZOs還能通過分布在血管和肺部的神經(jīng)末梢感知壓力 [40]，并影響紅細(xì)胞體積、血管生理 [41-43]，引發(fā)多種人類遺傳疾病。PIEZOs的發(fā)現(xiàn)打開了力學(xué)生物學(xué)的大門，這是一個(gè)與生物學(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)交叉的新興科學(xué)領(lǐng)域，側(cè)重于研究細(xì)胞和組織的物理作用力和力學(xué)特性的變化如何對(duì)健康和疾病造成影響。

圖9 默克爾細(xì)胞和感覺神經(jīng)元中的機(jī)械力轉(zhuǎn)導(dǎo) [38-44]

注：A，左，實(shí)驗(yàn)圖示。對(duì)一個(gè)分離培養(yǎng)的GFP標(biāo)記的默克爾細(xì)胞進(jìn)行全細(xì)胞膜片鉗記錄，同時(shí)用玻璃探針施加機(jī)械刺激。右，當(dāng)Piezo2被在默克爾細(xì)胞中條件性敲除時(shí)，內(nèi)向電流消失（藍(lán)線）；B，左，皮膚-神經(jīng)連接示意圖。用玻璃電極刺激熒光標(biāo)記的默克爾細(xì)胞，同時(shí)記錄來自與之相連的SA I纖維的動(dòng)作電位。右，機(jī)械刺激又刺激探針到皮膚的距離來衡量。在0處（虛線），探針剛碰到皮膚；大于0時(shí)，探針使皮膚下陷。Piezo2被在默克爾細(xì)胞中條件性敲除后，SA I纖維不再持續(xù)發(fā)放。

 結(jié)  語 

Patapoutian在采訪里說，“正因?yàn)槿藗兲暠倔w感覺為理所當(dāng)然了，所以導(dǎo)致如此重要的問題近一二十年才被解答?！?然而一旦PIEZO2發(fā)生突變，其重要性就難以被忽視。PIEZO2缺乏綜合征患者的本體感覺、觸覺和振動(dòng)顯著減弱。這會(huì)導(dǎo)致感覺性共濟(jì)失調(diào)、測(cè)距障礙、步態(tài)困難、肌肉無力和萎縮、脊柱側(cè)彎、髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良和進(jìn)行性骨骼攣縮。這些患者還存在肺部?jī)?nèi)感受缺陷導(dǎo)致圍產(chǎn)期呼吸窘迫和膀胱導(dǎo)致排尿障礙 [45]。PIEZO1的突變則會(huì)損害紅細(xì)胞的生理功能和淋巴系統(tǒng)的發(fā)育 [46-50]。

圖10 溫度和觸覺受體（褚劉薇）

如Julius在諾獎(jiǎng)公布后的采訪中所說：“感覺系統(tǒng)是偉大的，正是有了它，我們才能感知到我們所生活的世界的一切?！睖囟群陀|覺受體的發(fā)現(xiàn)，是繼視覺、嗅覺、味覺、聽覺之后人類與客觀世界又一次激動(dòng)人心的握手。我們的身體正通過小小的受體蛋白努力感知著我們所生活的世界的一切，我們?cè)趺茨芤曋茉獾囊磺袨槔硭?dāng)然，讓點(diǎn)滴微妙但珍貴的生命體驗(yàn)白白流逝呢？

參考視頻：

https://www.youtube.com/watch?v=imk3AuS-kUA

https://www.youtube.com/watch?v=x_SRDtwUx6Y