Нобелевка с перчинкой

Способность организма ощущать тепло, холод, прикосновения необходима для выживания и лежит в основе нашего взаимодействия с окружающим миром. Еще в XVII веке Рене Декарт связал ощущения кожи, соприкоснувшейся, к примеру, с огнем, с сигналом, который при этом отправляется в мозг и вызывает соответствующую реакцию. В конце XIX века было обнаружено, что отдельные сенсорные нейроны реагируют на определенные раздражители, такие как тепло, холод, прикосновения, и вызывают определенную реакцию нервной системы.

Как минимум три предыдущие Нобелевские премии связаны с пониманием работы сенсорной нервной системы. В 1906 году Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль получили премию за открытие структуры сенсорной нервной системы. В 1932 году Чарльз Шеррингтон и Эдгар Эдриан получили премию за работу по определению функций соматосенсорных нейронов. А в 1944 году Джозеф Эрлангер и Герберт Спенсер Гассер удостоились премии за открытия, имеющие отношение к высокодифференцированным функциям отдельных нервных волокон. Эти работы позволили приблизиться к пониманию устройства сенсорных путей, которые передают информацию о свойствах различных раздражителей, о преобразовании этих сигналов в электрические импульсы, передаваемые в центральную нервную систему.

Однако не были известны детали работы этой сложнейшей системы. Нынешние лауреаты определили важные недостающие звенья в понимании взаимосвязи между нашими ощущениями и окружающей средой.

Открытие Джулиусом TRPV1 стало прорывом, позволившим узнать, как разница температур может вызывать электрические сигналы в нервной системе

nobelprize.org

С чувством жжения

Мы воспринимаем эти ощущения как должное, потому что чувствуем их каждую секунду, держим ли мы в руках чашку горячего кофе или идем босиком по траве, случайно прикасаемся к плите или увязаем в холодном сугробе, просто прикасаемся кончиками пальцев к щеке ребенка или к клавиатуре компьютера, чувствуем внезапную головную боль. Во второй половине 1990-х годов Дэвид Джулиус анализировал, как химическое вещество капсаицин, известный нам по жгучему перцу чили, вызывает чувство жжения, жара и боли. Джулиус с коллегами стали шерстить библиотеку генов, кодирующих нейроны, чтобы затем обнаружить белок, реагирующий на капсаицин. После кропотливых поисков такой ген был идентифицирован. Дальнейшие исследования показали, что этот ген кодирует белок ионного канала. Он был назван TRPV1. Было показано, что этот рецептор чувствителен к теплу капсаицина и воспринимается как болезненное жжение. Открытие Джулиусом TRPV1 стало прорывом, позволившим узнать, как разница температур может вызывать электрические сигналы в нервной системе. В его лаборатории были открыты и другие рецепторы семейства TRP, в частности так называемый ментоловый рецептор — TRPM8. Считается, что он реагирует не только на холод вещества из листьев перечной мяты, но и на холодный воздух.

Ардем Патапутян сделал свои открытия сравнительно недавно, в 2010 году. Он искал те датчики, которые активируются в ответ на механические раздражения. Патапутян и его команда изучали клетки, в которых измерялся электрический сигнал в ответ на протыкание этих клеток микропипеткой. Ученые предполагали, что рецептор, управляющий процессом, представляет собой ионный канал клеточной мембраны. Им удалось идентифицировать ген, «молчание» которого делало клетки нечувствительными к прикосновению пипетки. Новый механочувствительный канал получил название PIEZO1 (от греч. piezō — давлю). Позже был открыт и схожий с первым канал PIEZO2. Эксперименты подтверждали, что оба канала активируются в результате давления на клеточные мембраны. Дальнейшие исследования показали, что PIEZO2 играет критическую роль в восприятии положения тела. Любое движение, простая ходьба инициируют сплошной поток сенсорной информации для координации и управления конечностями и всего тела даже с закрытыми глазами и в темноте. Выяснилось также, что оба канала важны для многих других физиологических процессов, включая артериальное давление и контроль дыхания.

Любое движение, простая ходьба инициируют сплошной поток сенсорной информации для координации и управления конечностями и всего тела даже с закрытыми глазами и в темноте. Выяснилось также, что оба канала важны для многих других физиологических процессов, включая артериальное давление и контроль дыхания

nobelprize.org

Дырка для ионов

«Это очень важные открытия, — комментирует член-корреспондент РАН, руководитель лаборатории Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН Павел Балабан. — В частности, пьезорецепторы участвуют во многих жизненно важных физиологических процессах. Это древние и очень консервативные механизмы. Они существуют даже у растений, которым была посвящена недавняя статья Ардема Патапутяна. Ученые определили структуру ионных каналов и как они работают. По сути ионный канал — это часть мембранного рецептора, это некая дыра, через которую проходят различные ионы. Как правило, эта дыра закрыта, но при определенном воздействии, например давлении, пространственная структура рецепторов меняется, и канал открывается. В него проникают ионы, меняющие потенциал нервного окончания, возникает импульс, идущий в соответствующий отдел мозга. Ионный канал обычно состоит из четырех белковых молекул, которые соединяются в кольцо, они сидят в мембране, выпуская концы наружу и внутрь. В зависимости от того, какие молекулы соединились, они пропускают определенный ион». От типа воздействия на организм активируются различные соединения молекул.

По словам Павла Балабана, эти открытия действительно прорывные, поскольку дают не только фундаментальное понимание работы нервной системы, но и определенные мишени для практического воздействия. Практически при любой патологии реагируют рецепторы, управляющие ионными каналами. Знание мишеней — это потенциальная возможность управления каналами. К примеру, известно, что в эпилептическом очаге температура как минимум на один градус выше. Можно подавлять активность генов, включая торможение эпилептического припадка. Во многих лабораториях ведутся исследования, как можно использовать знания об открытых рецепторах для создания, например, новых анальгетиков и других лекарственных средств, а также методов воздействия на механизмы нервной системы, связанные со многими физиологическими функциями.