Горячие, механические, твои: рецепторы, которые принесли Нобелевку

Человек защищается от окружающего мира благодаря тому, что ощущает его. Наша кожа заставляет нас рефлекторно отдергиваться от огня, немеет от холода и чувствует прикосновения. На вопрос, каким образом наше тело способно видеть, слышать, чувствовать запахи и ощущать другие характеристики окружающих объектов, человечество искало ответы тысячелетиями. Поэтому неудивительно, что Нобелевскую премию 2021 года по физиологии или медицине присудили Дэвиду Джулиус и Ардену Патапутяну «за их открытие рецепторов температуры и прикосновения». Ранее оба ученых получили премию Кавли и другие престижные награды за те же исследования. «Прорывное открытие рецепторов TRPV1, TRPM8 и ионных каналов Piezo лауреатами этого года позволило нас понять как тепло, холод и механическое приложение силы могут вызвать нервные импульсы, которые позволяют нам воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему», — отметил Нобелевский комитет.

Прикосновение к истории

Еще философ и ученый французского Просвещения Рене Декарт представил нити, которые соединяли мозг с поверхностью кожи. Он представлял, что если нога коснулась пламени, то частицы тепла будут этими нитями посылать механический сигнал к мозгу, открывая специальную полость для втекания животных духов. К концу XIX века ученые уже знали, что определенные точки на коже работали как датчики, реагируя на прикосновение, горячую или холодную температуру, что указывало на «разделение труда» по типу стимула в нервной системе.

Изучение этой темы в прошлом принесло не одну Нобелевскую премию. Первую из них в 1906 году получили Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль, которые подробно описали структуру нервной системы, в том числе и связь рецепторов с центрами обработки полученной ими информации. За описание работы нейронов (в том числе и соматосенсорных, которые реагируют на изменения на поверхности или внутри тела) и функций синапсов Чарльз Шеррингтон и Эдгар Дуглас Эдриан получили премию в 1932 году. Нобелевские лауреаты по физиологии или медицине 1944 года Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер обнаружили различные типы чувствительных нервных окончаний, которые реагировали на разные стимулы — например, легкие или болезненные прикосновения. Их работа показала, что под нашей кожей находятся разные группы сенсоров, которые отвечают за определение множества стимулов и позволяют их распознавать. Чтобы ориентироваться в сложном окружающем мире, человеку необходимо ощущать текстуру объектов, отличать грозящие ожогом горячие предметы от приятно теплых, колючие от мягких, мокрые от сухих. Но до исследования нобелевских лауреатов этого года мы не знали, как температура и механические стимулы превращались в электрические импульсы — сигналы в нервной системе.

Все эти механизмы оказались важнейшей частью соматосенсорной системы, состоящей из чувствительных нейронов и нервных путей, которые позволяют нам получать объективную информацию о физических параметрах мира вокруг и превращать их в электрические сигналы, которые передаются в центральную нервную систему. Благодаря этому мы не только осознанно принимаем решения, но и без участия мышления выполняем повседневные мелкие задачи — ходим, держим стакан с водой во время питья, сохраняем равновесие и двигаемся в темноте. Все это было бы невозможно без информации о массе, температуре, текстуре объектов вокруг нас, об их расположении или наклоне поверхности под нами, а также о положении нашего тела — сгибе локтей или коленей, силе сжатия кисти руки и так далее. Еще одна важная часть соматосенсорной системы — ноцицепторы, которые активируются в ответ на приложение большой механической силы или потенциально вредных воздействий тепла или холода.

Ментол и перец, лед и пламень

Дэвид Джулиус родился в 1955 году в Нью-Йорке, учился в Массачусетском технологическом институте, а докторскую степень получил в Университете Калифорнии в Беркли, изучая белок дрожжей под названием Kex2. В конце девяностых Дэвид Джулиус работал в Университете Калифорнии в Сан-Франциско и искал клеточную мишень капсаицина (8-метил-N-ваниллил-6-ноненамид) — того самого вещества, которое делает острым перец чили. Предыдущие исследования показали, что из-за вкуса этого вещества человек начинает потеть, как будто ему жарко, и что капсаицин влияет на сенсорные нервные клетки, вызывая потоки ионов. Но может ли работа ионных каналов может передавать информацию о температуре?

Гипотеза Джулиуса была в том, что один ген может отвечать за чувствительность к капсаицину. Ученый предполагал, что благодаря этому веществу он раскроет механизмы боли. Вместе с постдоком Майклом Катериной Джулиус решил провести скрининг и создал библиотеку комплементарных ДНК из спинальных ганглиев грызунов с телами чувствительных нейронов, которые активировались капсаицином. Нечувствительным к этому веществу клеткам сделали отверстия в мембране, куда проникли образцы комплементарных ДНК от чувствительных клеток (такое «вживление» нужных молекул в клетки называют трансфекцией). В итоге ученным удалось выделить ген, который мог отвечать за реакцию на капсаицин. Он кодировал белок в мембране клетки, который принадлежал к суперсемейству каналов с транзиторным рецепторным потенциалом (по-английски — transient receptor potential, или TRP), способных пропускать положительно заряженные частицы, или катионы. Вместе с заряженными частицами перемещался и заряд, передавая сигнал.

Джулиус с коллегами продолжили работу с рецептором TRPV1, который в то время назывался ваниллоидным. Они выяснили, что по электрофизиологическим свойствам этот рецептор на поверхности клеток напоминал каналы в сенсорных нейронах. Трансфецированные геном TRPV1 клетки стали чувствительными к цитотоксическому (буквально — убивающему клетки) эффекту капсаицина, но его можно было блокировать молекулой-антагонистом. При этом рецептор активировался теплом без присутствия других факторов, это приводило к притоку ионов кальция сквозь канал внутрь клетки, как в сенсорных нейронах. Также оказалось, что TRPV1 встречается в нейронах спинального ганглия, отвечающих за болевые ощущения, но не в тех, что связаны с чувством давления, прикосновения и положения тела в пространстве.

Джулиус понял, что мы не зря описываем горький вкус как «жгучий» или представляем себя огнедышащими драконами, а эффект ментола называем «охлаждающим»: эти вкусы оказались связаны с температурой не просто ассоциацией. Благодаря TRPV1 горячие предметы ощущаются, как приносящие боль. Это открытие в 1997 году проложило дорогу к пониманию основ нашего ощущения температуры. Также оказалось, что TRPV1 активируется высокой концентрацией протонов в ишемизированных тканях и химическими соединениями, связанными с воспалением. Структуру канала позже удалось определить при помощи криоэлектронной микроскопии: TRPV1 состоял из двух «ворот» по обеим сторонам поры. Капсаицин связывается с карманом белка, близким к цитоплазме, почти с внутренней стороны. После этого ворота открываются в два этапа и пропускают ионы. По механизмам работы каналы TRP оказались похожими на натриевые и калиевые каналы, отвечающие за разность потенциалов (благодаря которой по нервам, как по проводам, бегут электрические сигналы). Создавая мышей с нокаутированным (выключенным) геном TRPM1, исследователи поняли, что за болевые ощущения от горячего отвечают и другие «родственные» рецепторы — TRPM3 и TRPA1. Позднее был открыт и TRPM2, который отвечает за приятное ощущение тепла.

В 2002 году Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян независимо друг от друга открыли рецептор TRPM8, который относится к тому же суперсемейству, но реагирует на холод. Аналогично экспериментам со жгучим капсаицином, им удалось использовать ментол в поисках «датчика холода», и предположение оказалось верным. Обе научные группы доказали, что поломка у мышей гена Trpm8 приводила к тому, что животные хуже ощущали низкие температуры. Оказалось также, что рецепторы тепла не только дополняют друг друга, но действуют только когда чувствительные к холоду нервные волокна подавлены высокой температурой. Работа всего этого «оркестра» позволяет нам ощущать изменения температуры с точностью до одного градуса по Цельсию.

Наука под давлением

Ардем Патапутян, который родился и окончил университет в Бейруте, затем эмигрировал в США и, как и его коллега, попал в Калифонию. Он защитил PhD в Калифорнийском технологическом институте, работал в Университете в Калифорнии в Сан-Франциско и Институте Скриппс. Его научные интересы в какой-то момент сильно пересеклись с работой Джулиуса, но затем сфокусировались на рецепторах прикосновения и давления.

Первые предположения о том, как работает механическая чувствительность, появились более 40 лет назад, когда ученые продемонстрировали быструю деполяризацию мембраны после механической стимуляции клеток лягушек, отвечающим за слух. Но чувствительные к таким раздражителям ионные каналы были обнаружены только в конце 1980-х при изучении Escherichia coli. Когда подобные ионные токи удалось зарегистрировать в нейронах спинального ганглия крыс, ученые поняли, что тот же механизм возможен и у позвоночных. Правда, поначалу гены похожего типа у червей Caenorhabditis elegans и мух-дрозофил в чувствительности к прикосновению очевидной роли не играли.

Ключик к этой загадке смог подобрать Патапутян, работавший тогда в Институте Скриппса вместе с постдоком Бертраном Косте. Измеряя при помощи метода локальной фиксации потенциала электрическую реакцию разных клеточных линий в ответ на легкий толчок тонким стержнем, они обнаружили, что у линии нейронов под названием Neuro2A включается работа ионных каналов и меняется заряд мембраны. Ученые выбрали 72 гена-кандидата, которые кодировали белки, хотя бы двумя частями пронизывающие мембрану. Затем гены при помощи РНК-интерференции выключались по одному, чтобы проверить, в каком случае механическая чувствительность начнет работать. Увидеть это можно было по электрическому потенциалу. Иронично, но правильным ответом на этот вопрос оказался последний ген в списке, известный как Fam38A. Патапутян присвоил белку, код которого записан в этом гене, название Piezo1, от греческого слова «пиези», которое означает давление («пьезоэлектричество» – тех же корней).

Также ученый проверил работу гена, поместив его в культуру эмбриональных почечных клеток HEK293. Клетки послушно начали реагировать на давление. Второй ионный канал, который получил название Piezo 2, принадлежал к тому же семейству, о котором ученые раньше не знали. В отличие собрана под номером один, Piezo 2 был обнаружен в нейронах спинального ганглия, а его выключение приводило к потере механической чувствительности. В дальнейшем Piezo 2 оказался главным механическим «датчиком» в соматических клетках, отвечающим за ощущение прикосновения и положения тела в пространстве. Кроме того, оба рецептора имели и много других физиологических функций, участвуя в изменении объема легких и кровяного давления, чувстве осязания, желания сходить «по-маленькому» положения тела в пространстве (проприорецепции) и ощущении боли.

Оба белка относились к прежде неизвестному семейству и состояли из около 2500 аминокислот, что делает их самыми большими из трансмембранных ионных каналов. Каждый из них формирует необычную спираль, которая пронизывает оболочку клетки. За механическую чувствительность в них отвечает специальный «пропеллер» из трех лепестков, которые сворачиваются в подобие чашки. Когда к поверхности применяется сила, лепестки распрямляются и открывают центральную пору канала, пропуская ионы внутрь клетки.

То, что Piezo 2 играет роль «датчика легких прикосновений», ученые напрямую продемонстрировали в 2014 году в экспериментах с эпителиальными клетками Меркеля (Меркеля-Ранвье), которые находятся в коже и помогают чувствовать прикосновения. Легкое касание этих клеток запускало ток ионов, который не работал без канала Piezo 2. Патапутян также вывел линию мышей без Piezo2 и показал, что у подопытных животных нарушены тактильные ощущения, хотя температуру они различают без труда. Также он выяснил, что людям со «сломанным» геном, кодирующим Piezo2, тяжело различать текстуры, чувствовать положение тела в пространстве и шевеление волос, а также двигаться в темноте. Позднее прояснилась роль Piezo1: оказалось, что он помогает контролировать объем эритроцитов, а некоторые его варианты могут защищать от малярии. Этот канал также позволяет внутренней стенке кровеносных сосудов ощущать напряжение, что помогает регулировать давление крови и рост новых сосудов как у эмбрионов, так и у сформировавшегося организма. Кроме того, Piezo1 контролирует натяжение стенки эритроцитов, без чего они впитывали бы слишком много воды и лопались (или выпускали слишком много воды и становились сморщенными), что мешало бы им переносить кислород по организму. Формирование крепких костей, которые нужны для поддержки всей массы тела, без Piezo1 тоже нарушается (по крайней мере, у мышей).

Открытия Джулиуса и Патапутяна не только помогли понять механизмы работы нашего тела, поломка которых приводит к редким наследственным заболеваниям, а также нарушениям в развитии скелета, работы кровеносной и нервной системы. На основе этих исследований сейчас разрабатываются лекарства от этих болезней и новые обезболивающие препараты.

Тепло (а также холод и механочувствительность) наших тел

Исследование чувствительности к холодному, горячему и прикосновениям на подопытных «нокаутных» животных имеет свои трудности: у мыши не спросишь, «тепло ли тебе, девица». С другой стороны, людям гены выключать научная этика не позволяет. Однако благодаря открытиям Джулиуса и Патапутяна из сумрака вышли редкие (и не очень) болезни, носители которых согласились поучаствовать в исследованиях, что принесло интересные результаты. Так, некоторые «однобуквенные» мутации гена Trpv1 приводят к семейному эпизодическому болевому синдрому первого типа, при котором человек чувствует боль в верхней части тела из-за холода, голода и физиологического стресса. Другие мутации каналов TRP связаны с казалось бы, необъяснимыми ощущениями горячего в отсутствие повышенной температуры, сложными случаями нейропатической боли. Также они могут стать причиной сниженной чувствительность к холоду или изменить для нас вкус острого перца.

Мутации Piezo2 вызывают несколько разных наследственных нарушений, изменяя чувствительность к прикосновениям, вибрации и мешая проприорецепции. Мыши без Piezo2 гибнут вскоре после рождения из-за дыхательной недостаточности, а люди с потерей функции гена по двум аллелям выживают, но страдают от дистального артрогрипоза первого типа. Это системное заболевание нарушает развитие скелетно-мышечной системы и вызывает фиброз — разрастание соединительной ткани, при котором на ней формируются рубцы. Также у пациентов встречается нарушения дыхания (поскольку легкие не могут чувствовать нужный объем воздуха) и работы мочевого пузыря. Некоторые мутации гена вызывают другие типы артрогрипоза, например, синдром Гордона, для которого характерны низкий рост и расщепленное небо, или синдром Мардена-Уокера, вызывающий замедленные психомоторные реакции, недоразвитие челюстей и искривление позвоночника сразу в двух плоскостях — кифосколиоз.

Поломка гена Piezo1 для мышей смертельна еще на стадии эмбрионального развития, так как этот ионный канал отвечает за важные функции эритроцитов и рост лимфатических сосудов. Однако люди даже с потерей функции гена по двум аллелям выживают. Но они рождаются с пороком развития лимфатической системы — лимфатической мальформацией 6 — из-за которого страдают от постоянных отеков конечностей и лица. Мутации с измененной функцией гена приводят к развитию различных анемий и обезвоживанию красных кровяных клеток. Интересно, что мутация E756del, как и серповидноклеточная анемия, мешает малярийному плазмодию нападать на наши эритроциты, а также повышает концентрацию железа в крови.

Так на первый взгляд забавные открытия Джулиуса и Патапутяна, начало которым положили исследования ментола и капсаицина, не только помогли понять механизмы работы нашего тела, но и изучить причины некоторых наследственных заболеваний. На основе этих исследований сейчас разрабатываются лекарства от этих болезней и новые обезболивающие препараты — в том числе от сложных случаев хронической боли, причины которой раньше оставались загадкой для врачей.