Секрет тёплых объятий
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2021 года присуждена за открытие рецепторов температуры и механической чувствительности. Лауреатами стали Дэвид Джулиус (Университет Калифорнии, Сан-Франциско, США) и Ардем Патапутян (Институт Скриппса, США).
Представьте, что вы сидите в кино: глаза смотрят на экран, уши ловят звук из колонок, а если вы прихватили с собой попкорн, то носом чувствуете его запах, а языком — вкус. Но ещё в кинозале вам может стать жарко, и тогда вы снимете свитер, или прохладно, и тогда наденете его обратно. А ещё вы сидите в кресле, удобно или не очень, а может, с кем-то в обнимку. Как мы понимаем, что нам жарко, что нам удобно, что нас кто-то приятно обнимает, пока мы смотрим фильм? Можно не задумываясь сказать, что для этого есть температурная чувствительность, или терморецепция, и осязание, или механорецепция. Но ни для того, ни для другого у нас нет никаких специальных органов чувств, подобных глазу или уху, — как же мы воспринимаем тепло и прикосновения?
Сейчас-то уже известно, что для каждого типа ощущений есть особые проводящие пути, которые идут от соответствующего рецептора в мозг. И ещё в 80-е годы XIX века исследователи заговорили о том, что для тепла, холода и прикосновений должны быть отдельные нервы. То, что разные нервные волокна выполняют разные функции, что разные соматосенсорные* нервы посылают в мозг разные сигналы, было показано в работах американских физиологов Джозефа Эрлангера и Герберта Спенсера Гассера. После их исследований, удостоенных Нобелевской премии по физиологии и медицине 1944 года, стало во многом понятно, как ощущения в виде нервного импульса бегут по нервам кожи и мышц. Но оставался вопрос, как рождается само ощущение, то есть как внешний стимул — температура или механическое давление — превращается в импульс. Это должны делать соответствующие рецепторы, и чтобы их найти, нужно было дождаться взлёта молекулярной биологии и её методов.
* Под соматосенсорной системой понимают совокупность нервных путей, которые пронизывают всё тело и сообщают в соответствующие отделы центральной нервной системы информацию о температуре, механическом воздействии, положении тела в пространстве, болевых ощущениях.
Как найти неизвестный белок с известной функцией
Работа клетки во многом зависит от того, какие белки она синтезирует. Но каждая клетка содержит огромное число белков. Как понять, какой из белков связан с той функцией, которая нас интересует, — например, с термочувствительностью? По очереди добывать из клетки молекулы конкретного белка, изучать их структуру, их взаимодействие с другими молекулами — такой способ невероятно трудоёмок и не слишком эффективен, особенно на первых этапах, когда мы ещё даже не знаем, что именно ищем. Есть другой путь: пересадить белок в какую-нибудь другую клетку, которая занимается вообще другими делами, и посмотреть, как она изменится. Как можно пересадить белок? Нужно взять его ген и внедрить в геном другой клетки. И пусть мы не знаем, какой ген нам нужен, и даже не знаем, где именно в ДНК он находится, — нам это и не требуется знать. Как известно, генетическая информация из ДНК копируется сначала в молекулу РНК, а потом РНК служит матрицей для синтеза белка. Если клетка активно пользуется каким-то геном, в ней будет много его РНК-копий. Мы выделяем РНК-копии из клетки и делаем на них ДНК-копии (потому что с ДНК работать проще и надёжнее, чем с РНК). И уже вот эти ДНК-копии конкретного гена внедряем в другую клетку, которая послужит нам испытательным полигоном для неизвестного белка.
Клетка одновременно использует не один, не два, а много генов. Значит, у нас появится библиотека ДНК-копий, сделанных на разных РНК, и нам понадобится много клеток-«испытателей». Главное, чтобы в одну клетку-«испытателя» попала ДНК-копия только одного чужого гена. Клетка начнёт делиться и синтезировать чужой белок, и с её потомками мы будем ставить все необходимые эксперименты.
Как видим, нужен целый спектр методов, позволяющих манипулировать ДНК и РНК, читать их последовательности, внедрять их в клетки. Эти методы активно развивались с момента открытия ДНК и генетического кода и к концу 1990-х годов уже широко применялись в самых разных областях биологии. Когда Дэвид Джулиус и его коллеги в Калифорнийском университете в Сан-Франциско (США) стали искать терморецепторы, они начали с того, что выделили из спинномозговых нейронов все РНК, синтезировали на них ДНК и отправили их в клетки под названием HEK 293. (Это одна из самых распространённых разновидностей лабораторных клеток, полученная из человеческих эмбриональных почек.) Но почему спинномозговые нейроны? Как мы знаем, у нервных клеток есть отростки, которые нужны, чтобы принимать и посылать электрохимические сигналы. Отростки часто очень длинные, так что тело нейрона может сидеть в спинном мозге, а отросток с рецептором — где-то далеко в мышцах или в коже. Известно, что этот нейрон реагирует на тепло или на холод, известно, где в спинном мозге находится тело клетки, и РНК с информацией о белках выделяют из тела клетки, потому что с ним проще работать, чем с тонким и извивающимся отростком.
Белки тепла и жгучей боли
Вообще говоря, Дэвид Джулиус изначально искал не столько терморецепторы, сколько нейроны боли. Причём такой боли, которая возникает от жгучего алкалоида капсаицина, содержащегося в перце чили. Уже было известно, во-первых, что капсаицин заставляет потеть кожу в том месте, где он подействовал на сенсорные нейроны, — то есть эффект от него был как от очень сильной жары. Ещё было известно, что капсаицин запускает ионные потоки через мембрану нейронов. Нейронный импульс начинается с перегруппировки ионов на наружной и внутренней стороне нейронной мембраны, а ионы, в свою очередь, проходят через мембрану с помощью специальных белковых каналов. То есть капсаицин, скорее всего, действовал на один из таких белков. И ещё исследователи знали, что термический ожог тоже запускает ионный поток через мембрану — значит, очень высокая температура действует на какой-то ионный канал. В общем, были все основания полагать, что капсаициновый эффект связан с тепловыми рецепторами.