Чувствовать кожей: как открытие тайн осязания принесло ученым Нобелевскую премию

Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили ученым, выяснившим, что позволяет нам чувствовать холод, тепло и касание. Эта способность интриговала философов на протяжении веков, а теперь добытые лауреатами знания могут пригодиться для лечения многих заболеваний.

Жгучий интерес

Уже в первой половине XX века ученые знали — за осязательные  ощущения отвечают особые нервные клетки. Они узкоспециализированы: например, за ощущение касания отвечают одни нейроны, а за боль — другие. Но долго оставалось загадкой, каким образом прикосновение или изменение температуры возбуждают в нервной клетке электрический сигнал.

Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско пришел к ответу с неожиданной стороны. В 1990-х годах он исследовал капсаицин — вещество, создающее знаменитый жгучий вкус красного перца. К тому моменту уже было известно, что это соединение активирует осязательные нейроны, реагирующие на боль, тепло или прикосновение. Но какие именно и как — оставалось загадкой.

Джулиус и его коллеги стремились выявить ген восприятия капсаицина. Выделить его среди многочисленных генов, работающих (или, как говорят ученые, экспрессирующихся) во всех «подозрительных» нейронах, было нелегко. Исследователям пришлось создать библиотеку из миллионов фрагментов ДНК, притом что общее количество генов в геноме человека — на несколько порядков меньше.

Биологи культивировали клетки, которые в норме не реагируют на капсаицин, внедряли в них гены из «списка подозреваемых» и проверяли, не появится ли у клеток чувствительность к капсаицину. После кропотливых поисков ген восприятия этого жгучего вещества наконец был обнаружен. Оставалось понять, как именно этот ген работает в нейронах, чувствительных к капсаицину.

Поясним, что любой ген — это инструкция для клетки по синтезу того или иного белка (как говорят специалисты, ген кодирует белок). А белки — это основные участники всех биохимических процессов, шестеренки сложнейшей машины, именуемой живой клеткой. Кредо клетки можно выразить так: «Хочешь что-то сделать — синтезируй белок, который этим занимается. Хочешь синтезировать белок — имей ген, который его кодирует».

Чем же занимается белок (позже он был назван TRPV1), синтезируемый «капсаициновым» геном? Оказалось, что это ионный канал в мембране нервной клетки. Чтобы объяснить, что это такое, придется совершить экскурс в нейробиологию.

Нервное волокно — это цепочка соединенных друг с другом нейронов. Нервный импульс распространяется вдоль волокна по мембранам (стенкам) нейронов. Но это не ток, текущий по проводу, а волна электрического поля. Она создается током ионов (заряженных частиц), текущим  поперек пути распространения нервного импульса: сквозь мембрану, из клетки во внешнюю среду или обратно. «Проводами» для этих ионов служат пересекающие мембрану крупные молекулы белка — ионные каналы.

Чтобы ионный канал открылся, на него нужно подействовать определенным раздражителем, например химическим. Как выяснилось, канал TRPV1 активируется капсаицином. Продолжая эксперименты, Джулиус обнаружил, что канал TRPV1 активируется также и при сильном нагревании. Именно при сильном — он не реагирует на приятное тепло, а сигнализирует, что участок кожи или слизистой оболочки опасно перегрелся.

Так был открыт механизм работы нейронов, чувствительных к контакту с горячими предметами. Попутно выяснилось, что «жгучий вкус» — не метафора, а нейробиологическая истина: на капсаицин наша нервная система реагирует так же, как на обжигающее прикосновение.

Позже выяснилось, что TRPV1 отвечает также за мучительное жжение, которое может возникать при воспалениях и других нарушениях в работе нервов или внутренних органов. Поэтому его исследования могут стать ключом к облегчению страданий многих людей.

В дальнейших исследованиях Дэвид Джулиус и (независимо от него) Ардем Патапутян обнаружили ионный канал TRPM8. Он был открыт благодаря еще одному веществу, вызывающему «температурные» ощущения — приятно холодящему ментолу. Канал TRPM8 активируется при переохлаждении клетки, и нейрон посылает нам сигнал, что лучше бы надеть перчатки или есть мороженое помедленнее.

Позже были открыты и другие ионные каналы, реагирующие на изменение температуры.

Прикосновение к истине

Работая в исследовательском центре Scripps Research, Патапутян занимался и другим важным вопросом: что позволяет нам чувствовать прикосновение и давление на кожу? Вместе со своими сотрудниками биолог впервые вывел генетическую линию клеток, которые генерировали электрический сигнал, когда их мембрану протыкали микропипеткой. Ученый предполагал, что существует ионный канал, который активируется этим механическим сигналом. В поисках гена, кодирующего этот белок-канал, он проверил 72 кандидата. Экспериментаторы отключали эти гены один за другим, следя, когда клетка перестанет реагировать на укол. Затратив немало усилий, Патапутян и его коллеги идентифицировали ген Piezo1. Оказалось, что он кодирует ранее совершенно неизвестный ионный канал, который активируется давлением. Вскоре исследователи обратили внимание на ген Piezo2, очень похожий на ген Piezo1.

Это открытие вызвало к жизни целую волну научных работ. Группа Патапутяна и другие исследователи выяснили, что ионный канал Piezo2 необходим для осязания, а также для восприятия положения и движения тела. 

Затем ученые выяснили, что гены Piezo1 и Piezo2 регулируют и другие важные процессы — дыхание, артериальное давление и деятельность мочевого пузыря.

Биологи продолжают тщательно исследовать роль белков TRPV1, TRPM8, Piezo1 и Piezo2 в работе нервной системы. Есть надежда, что эти знания пригодятся в лечении многих заболеваний.