陳佳鈺 王予涵 黃佳浩 王首占 李 燕，3，4 初 明，3，4 王月丹，3，4??

（1 北京大學基礎醫(yī)學院 北京 100191 2 北京大學附屬中學 北京 100080 3 國家衛(wèi)生健康委員會醫(yī)學免疫學重點實驗室 北京 100191 4 北京大學生物醫(yī)學實驗教學中心病原與免疫綜合實驗室 北京 100191）

對于世界的認識，是推動人類社會和文明發(fā)展的主要力量，是人類戰(zhàn)勝和征服大自然的基礎。但人類是如何感受外界信號并對世界產(chǎn)生認識的？這一直是科學家關(guān)心和致力研究的熱點課題。

在當今科學界最高榮譽諾貝爾獎的120年歷史上，曾經(jīng)有6 次授予與感覺相關(guān)的研究。它們分別是視覺感受器（瑞典學者古爾斯特蘭德對眼睛屈光性機制的研究，1911年獲獎）、平衡位置感受器（奧地利學者巴拉尼對前庭器官的研究，1914年獲獎）、聽覺感受器（美國學者貝凱西因?qū)Χ佄锢泶碳C制的研究，1961年獲獎）、視覺形成的機制（美國學者哈特蘭、沃爾特和瑞典學者格拉尼特對視網(wǎng)膜功能暨視覺形成的生理化學機制的研究，1967年獲獎）、視覺信息的產(chǎn)生（美國學者休伯爾和瑞典學者威塞爾對視覺在大腦皮層中信號形成作用的研究，1981年獲獎）和嗅覺感受器（美國學者阿克塞爾和巴克對嗅覺器官和氣味受體的研究，2004年獲獎）。

2021年10月，諾貝爾獎評獎委員會第7 次將諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了有關(guān)感覺的研究。但這一次的獎勵并不是授予了有關(guān)眼睛、耳朵和鼻子這三大感受器的研究，而是給予了有關(guān)辣椒和壓力的研究。2021年10月4日，美國科學家朱利葉斯和帕塔博蒂安共同獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，以表彰他們在人類溫度感覺和觸覺機制中的研究貢獻[1]。

1 揭示感受熱與痛的機制從辣椒開始

要了解人類對溫度的感覺，特別是對熱的感覺，不得不談及辣椒。在英文中，形容食物熱或味道辣，都可用“HOT”一詞，二者是有天然淵源的。

辣椒是當今各國人民都廣泛食用的一種食材，其不僅含有豐富的維生素C，而且火辣的味道更是令許多人喜愛甚至上癮。食用辣椒后，人們會感受到辣味，而這并不是一種味覺，因為人類舌頭的味蕾只能感受酸、甜、苦、咸4 種味道，辣味本質(zhì)上是一種灼燒而導致的痛覺。這種灼燒的痛覺甚至可使人體大腦誤認為受到了傷害，產(chǎn)生出具有止痛作用的內(nèi)啡肽，導致出現(xiàn)欣快感，這可能也是一些人對辣椒上癮的部分原因。

食用辣椒后，人體為什么會感到辣味或有灼燒的痛感？這是因為辣椒含有一種被稱為辣椒素的生物堿，分子式為C18H27NO3，化學名稱為反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺，是具有香草素基團的化學物質(zhì)[2]。雖然，早在19世紀后期至20世紀早期，人們通過一系列的分離與化學研究，已知辣椒素是產(chǎn)生辣味的主要活性成分，并獲得了其準確的化學結(jié)構(gòu)，但并不清楚引起辣味感覺的確切機制。

隨著現(xiàn)代神經(jīng)科學的發(fā)展，人們逐漸認識到人體對世界的感受和認識，是通過感受器獲得信號，再通過傳入神經(jīng)元傳導進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，從而引起感覺。在脊椎動物中，傳入神經(jīng)元的細胞胞體部分，主要集中于背根神經(jīng)節(jié)（dorsal root ganglion，DRG）和三叉神經(jīng)節(jié)中，主要傳導來自身體各處及頭面部各個部位感受器對溫度、機械性或化學性刺激等多種信號[3]。其中，位于DRG 的許多神經(jīng)元是人體感受痛覺、機械性損傷、過冷和過熱等傷害性刺激信號的傳入神經(jīng)元。與熱和痛相關(guān)的辣味感覺神經(jīng)元是否也是DRG 的神經(jīng)元？

為回答這個問題，1997年，朱利葉斯團隊將DRG 神經(jīng)元表達的mRNA 分子逆轉(zhuǎn)錄為cDNA 片段，并建立了cDNA 文庫。在此基礎上，將DRG 的cDNA 文庫中的基因片段轉(zhuǎn)染到對溫度或其他傷害性刺激無反應的工程細胞——HEK293 細胞中，并通過特異性的鈣流觀察染料Fura-2 進行檢測，以確定轉(zhuǎn)染哪些基因片段，可使HEK293 細胞獲得包括辣椒素在內(nèi)的多種傷害性刺激信號進行反應的能力[4]。

通過篩選性的研究，朱利葉斯發(fā)現(xiàn)，辣椒素能激活一種被稱為辣椒素受體或香草素受體-1（vanilloid receptor 1，VR1）的分子，從而使轉(zhuǎn)染過編碼該分子基因的HEK293 細胞出現(xiàn)鈣離子流動等被活化的現(xiàn)象[5]。經(jīng)DNA 序列分析，VR1 屬于瞬時感受器電位受體（transient receptor potential,TRP）超家族的成員，被命名為TRPV1分子。TRPV1分子可被熱刺激所激活，當溫度超過43℃時，動物可出現(xiàn)退縮反應，但若敲除TRPV1 的編碼基因，這種對熱的退縮反應則消失。

自從TRPV1 分子被發(fā)現(xiàn)后，人們對其結(jié)構(gòu)和功能進行了深入研究。TRPV1 分子是一種由配體結(jié)合控制的非選擇性陽離子通道蛋白。當辣椒素等物質(zhì)與TRPV1 受體結(jié)合時，可導致鈉離子和鈣離子等陽離子進入至細胞內(nèi)，引起一系列的生物學效應，以感知傷害性刺激信號。2013年，朱利葉斯及其合作者采用冷凍電子顯微鏡技術(shù)解析了TRPV1 的分子結(jié)構(gòu)。該分子是一個6 次跨膜蛋白，不同的胞外結(jié)構(gòu)，可導致其感知不同的傷害性刺激信號。例如，鳥類的TRPV1 和哺乳動物的TRPV1 分子在第2～4 跨膜區(qū)存在差異，雖然都可介導對熱的感覺，但鳥類卻感受不到辣椒素的刺激，這正是雞在食用辣椒籽之后感到辣而不會退縮的主要原因。

TRPV1 主要分布于發(fā)出無髓鞘的C 類神經(jīng)纖，以及部分薄髓鞘的A 神經(jīng)纖維的可感知傷害性刺激的傳入神經(jīng)元上，可被刺激性化學物質(zhì)辣椒素等芳香草醛化合物、熱刺激（>43℃）和酸刺激（pH<6.0）等傷害性刺激因素所活化，觸發(fā)其末梢釋放神經(jīng)肽類和興奮性氨基酸等神經(jīng)遞質(zhì)，引起大腦皮層的痛覺形成，將傷害性刺激信息傳入至中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，使機體對這種傷害作出回避等反應，這對機體提高生存能力是非常重要的。

TRPV1 不僅可介導機體對于接觸刺激性化學物質(zhì)和灼燒等物理性損傷而導致的痛覺形成，參與能對機體進行警示并作出保護性反應的急性疼痛的形成；而且還可參與關(guān)節(jié)炎癥[6]、惡性腫瘤[7]及胃腸等內(nèi)臟疾病[8]導致的病理性疼痛過程。炎癥過程、惡性腫瘤生長或轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的腫瘤壞死因子、胰島素樣生長因子（IGF-1）、內(nèi)源性甲醛和H 離子等，均可上調(diào)TRPV1 的表達或敏感程度，而引起或加重疼痛的癥狀[8]。例如，甲醛可通過ERK、P38、JNK 和PI3K 信號通路，上調(diào)DRG 中TRPV1 的表達而提高機體對于痛覺的敏感程度[7]。朱利葉斯發(fā)現(xiàn)，應用TRPV1 抑制劑磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）能緩解惡性腫瘤動物模型中對癌癥疼痛的敏感性。

鑒于此，TRPV1 是一個研究疼痛機制和開發(fā)止痛藥物的重要目標分子，通過鈍化TRPV1 的敏感度，可用于止痛、鎮(zhèn)痛。由于TRPV1 分布廣泛、作用機制復雜，目前為止，還沒有以該分子為靶點的藥物通過臨床3 期試驗而上市。與之相反，由于辣椒素可通過TRPV1 的作用，使人和動物感受到強烈的傷害性刺激，辣椒素可作為噴霧劑驅(qū)逐猛獸或違法犯罪分子。

隨著人們對TRPV1 及其作用機制的深入研究，越來越多的類似功能受體被發(fā)現(xiàn)和克隆。例如，可感受更高溫度（超過53℃）的熱感覺受體分子VRL-1/TRPV2，但不會對辣椒素和較低溫度（超過42℃）發(fā)生反應，可感受薄荷成分的刺激及冷感覺（低于26℃）的受體分子TRPM8/CMR1，還有能對芥子油成分刺激進行反應的TRPA1 等，均被一一發(fā)現(xiàn)[9-10]。這些成果使人類對于溫度和疼痛感覺的形成機制的認識逐漸清晰。

2 觸碰而感受世界萬物的機制

與朱利葉斯共同分享諾貝爾獎的另一位科學家，對溫度和疼痛感覺受體TRPM8 和TRPA1 的研究也作出了非常大的貢獻。2002年，帕塔博蒂安利用生物信息學的方法得到了TRPM8 分子，通過鈣離子成像技術(shù)，證實該分子可介導細胞對冷刺激和薄荷醇產(chǎn)生反應，隨后又證實，敲除該基因可導致小鼠的冷感覺功能受到影響。2008年，帕塔博蒂安克隆出在皮膚角質(zhì)細胞中表達的對非傷害性刺激進行反應的TRPV3 和可對冷刺激（溫度低于20℃）及大蒜提取物（或芥子油成分）進行反應的受體TRPA1/ANKTM1[4]。其實，在我國傳統(tǒng)醫(yī)學中使用的用于治療過敏性哮喘的三伏（九）貼，就是利用芥子等中藥中的芥子油成分刺激皮膚角質(zhì)細胞的受體而發(fā)揮作用的。

在后續(xù)的研究中，帕塔博蒂安又有了更為重要的發(fā)現(xiàn)。在研究TRPA1 時，帕塔博蒂安及其合作者發(fā)現(xiàn)，線蟲和果蠅中也存在TRPA1 分子的表達，并且可介導其對溫度的感受。利用此發(fā)現(xiàn)，Kindt 等揭示TRPA1 可介導果蠅的時空感覺和線蟲對于機械物理性刺激的感覺過程。雖然Viswanath 等證實，TRPA1 介導的對物理機械刺激發(fā)生感覺的作用在小鼠等高等動物中并不存在，但這卻使帕塔博蒂安對研究機械性刺激引起的觸覺形成產(chǎn)生了濃厚的興趣[4,11]。

2010年，帕塔博蒂安在《科學》雜志上發(fā)表論文，通過RNA 干擾（RNAi）敲減小鼠神經(jīng)母細胞瘤細胞系Neuro2A 的基因，并利用膜片鉗技術(shù)，通過電極測量細胞對于機械性刺激產(chǎn)生的電流反應強度，可用于篩選出能介導感受機械力變化形成觸覺的受體分子。

利用這種篩選系統(tǒng)，帕塔博蒂安在73 個候選基因中逐一進行篩選，發(fā)現(xiàn)Fam38A基因編碼的產(chǎn)物可介導細胞對于機械刺激的電流反應，于是將這個產(chǎn)物命名為Piezo（拉丁文“壓力”一詞的英文音譯）分子[12]。Piezo 家族包括2 個通道蛋白受體分子成員，Piezo1 和Piezo2，具有感受機械性刺激的能力。若將這2 個基因表達水平進行敲減，即可明顯降低細胞對于機械性刺激的反應性電流強度，而將其在本身不能對機械性刺激產(chǎn)生反應的細胞中，則可讓這種細胞獲得對機械性刺激的反應能力。2014年，帕塔博蒂安等還發(fā)現(xiàn)Piezo2 在皮膚表皮的Merkel 細胞和神經(jīng)元中介導了觸覺的形成過程。

受帕塔博蒂安研究工作的啟示，研究者在Piezo1/2 的研究領(lǐng)域中進行了大量工作，對其功能和結(jié)構(gòu)的認識也越來越明確。在動物體內(nèi)的研究發(fā)現(xiàn)，觸覺的形成感受相關(guān)組織中Piezo1/2 的表達量也較高，而Piezo2 還參與介導了本體感覺（位置深感覺）的形成。結(jié)構(gòu)生物學的發(fā)展又從結(jié)構(gòu)分析的角度支持了Piezo1/2 分子對于觸覺形成的作用。

目前普遍認為，Piezo1/2 分子在各種物種中都具保守性。在脊椎動物中，Piezo1 具有廣泛的生物學功能，不僅參與介導觸覺的形成，而且參與心肌細胞的收縮[13]、骨骼的生成與再生修復[14]和腫瘤細胞的遷移[15]等重要的生理及病理生理學過程；Piezo2 則直接參與介導觸覺、本體感覺和對內(nèi)臟機械力感知的過程[16]。

3 啟示與展望

對溫度、疼痛和機械性刺激的感受，是機體感覺世界萬物存在的基本能力。揭示觸覺、痛覺和溫度感覺形成的作用機制，有利于了解人類認識世界能力的形成和范圍邊際，也可用于對人類感覺和認識能力的升級與優(yōu)化，提升人類認識自然和征服自然的能力，這也是諾貝爾獎120年歷史上7 次眷顧神經(jīng)系統(tǒng)感覺形成研究領(lǐng)域的理由，因為人類對于認識和了解自身能力的需要和興趣是推動生命科學發(fā)展的重要動力源泉之一。

在朱利葉斯和帕塔博蒂安的研究中，使用了生物信息學分析、cDNA 文庫轉(zhuǎn)染及篩選、RNAi 基因敲減和冷凍電鏡結(jié)構(gòu)生物學分析等現(xiàn)代生物科學技術(shù)，從分子結(jié)構(gòu)到功能研究的速度，都遠遠超過了之前生物醫(yī)學研究中的進展速度，使復雜的溫度、疼痛與觸覺感受的機制能在較短的時間內(nèi)被基本闡明，這標志著人類對生命科學的研究能力正在不斷地提升。相信在不久的未來，會有越來越多的復雜生命現(xiàn)象被人類所認知，從而推動人類社會和文明的更大發(fā)展，造福人類。