2021 諾貝爾生理醫學獎:從溫度到觸覺,人如何感知外在環境刺激?

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2021 年諾貝爾生理醫學獎於 10 月 4 日出爐,由兩位美國學者 David Julius、Ardem Patapoutian 共同獲獎,他們因提出人類神經系統如何感知溫度與觸覺兩種外界刺激,獲得此屆諾貝爾獎殊榮。David Julius 是加利福尼亞大學舊金山分校(UCSF)生理學教授,Ardem Patapoutian 則是任職加州斯克里普斯研究所(Scripps Research) 神經科學教授。

「灼熱」辣椒素到「涼感」薄荷,溫度怎麼引發觸覺感受?

外在環境刺激轉如何轉換成人體可以解讀的訊號,向來是神經科學領域的重要問題,1944 年生理學家 Joseph Erlanger、Herbert Gasser 即因發現神經細胞動作電位的機制獲得諾貝爾獎。

此次獲獎人之一 David Julius 博士從 1990 年代開始研究辣椒素(capsaicin)如何引發痛覺感受。他的研究團隊建立了數百萬個 DNA 片段資料庫,這些基因能對應到神經細胞引發痛覺、觸覺、溫度感受的功能。

其中他們發現一組基因會產生辣椒素的受體,也就是 TRPV1 離子通道。TRPV1 是鑲嵌在細胞膜上、對高溫敏感的離子通道,當接觸到 43 度 C 以上高溫時,離子通道會開啟,並轉換成引發痛覺感受的神經電訊號。

TRPV1 離子通道的熱反應示意圖,圖片來源:THE NOBEL PRIZE

David Julius 研究團隊後續也延伸溫度受器的研究主題,他們以薄荷醇(menthol)刺激能感知「冷」的離子通道 TRPM8,這一系列研究解釋了外在溫度刺激如何轉換成人體的觸覺訊號。 

機械壓力如何產生觸覺感受?

另一位得獎者 Ardem Patapoutian 博士則從「機械壓力」的角度,解答人體如何感知觸覺刺激。過去科學家已經知道細菌如何感知外在機械壓力的刺激,但這項機制在脊椎動物的作用仍不清楚。    

Ardem Patapoutian 研究團隊找出一種細胞株,當其接受微量吸管擠壓的刺激時會產生電訊號。接著他們從細胞中篩選出 72 組產生相關離子通道的基因,並用基因靜默的方式確認哪些基因實際參與機械壓力的訊號傳遞。

研究團隊發現了一個從來沒有被提出過的離子通道,他們將其以希臘文「壓力」(í; píesi)命名為 Piezo1,透過基因相似性比對,他們也發現另一個離子通道 Piezo2。Piezo1、Piezo2 在細胞接受到機械壓力時會被活化,後續研究也指出兩者在人體中扮演調節壓力的重要功能,例如控制血壓、肺部呼吸、以及膀胱收縮。

觸覺離子通道示意圖,圖片來源:THE NOBEL PRIZE

It all makes sense!

兩位學者 David Julius 與 Ardem Patapoutian 各自從「溫度」與「機械壓力」兩種外在刺激因子,提出人體對應產生觸覺訊號的離子通道:TRPM1、TRPM8 掌管與溫度有關的訊號傳遞;Piezo1、Piezo2 則主導細胞在接收到機械壓力時神經訊號,這些發現共同解釋了人體多樣的感知系統。

圖片來源:THE NOBEL PRIZE

人類觸覺神經訊號的分子機制也具有應用疾病治療的潛力,舉例來說,開發止痛藥物可以標靶細胞膜上引發痛覺的通道蛋白,藉此緩解慢性疼痛等症狀。儘管感官離子通道在人體許多組織器官都有表現,目前還很難做到標靶單一蛋白而不產生其他副作用。另外離子通道也與能量代謝、神經發育等功能有關,這些都是未來可以著力的臨床應用方向。

延伸閱讀:驅逐難纏的慢性疼痛,先抑制兇手 TRPC5 作用!

參考資料:
1.  https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/
2. https://www.science.org/content/article/hot-and-cool-research-wins-nobel-prize-physiology-or-medicine?fbclid=IwAR2gJlGoPVIomHspLfLHk_K2QHCw0esM75AX5O4jdRdFq5uFJFGwq_Uz5S0&
3. https://www.geneonline.com/discoverers-of-temperature-and-touch-receptors-win-2021-nobel-prize-in-medicine/

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