Нобелевскую премию по физиологии в 2021 году дали за боль, жар и проприорецепцию
Дэвид Джулиус искал таблетку от боли. Ардему Патапутяну просто было интересно разобраться в том, что происходит в нейронах. Нашли же они рецепторы, которые реагируют на температуру и прикосновения. Теперь им присудили Нобелевскую премию, хотя эффективной таблетки ни одному из них придумать не удалось. Зато они разобрались, как работает gut feeling — то, как организм человека чувствует себя.
В 1739 году Дэвид Юм, «оставив в стороне метафизиков», заверил своих читателей, что все они суть не что иное, как пучок восприятий (a bundle of perceptions). Оставив в стороне цели, которые ставил перед собой британский философ, и приобщив к его метафоре достижения нейробиологии, можно сказать, что все мы не что иное, как потоки ионов натрия, калия и хлора, которые втекают и вытекают сквозь ионные каналы в обонятельных нейронах в носу, колбочках в глазу и волосковых клетках в глубине уха — эти каналы и служат для нас дверями восприятия. Тот, кто научится ими управлять, научится управлять и людьми, в той мере, в которой они представляют собой «пучок восприятий».
Нейрофизиологи знают, что для этого достаточно найти подходящий рецептор — чувствительный белок, который переводит стимулы внешнего мира в ионный поток. Дальше его можно искусственно активировать — чтобы подстегнуть угасшую чувствительность, или наоборот, заблокировать — если чувства человеку неприятны.
Со зрением, слухом, а также обонянием и вкусом (которые есть не что иное как химические сигналы) к концу ХХ века ученые уже разобрались. По крайней мере, было точно понятно, где искать восприимчивые к соответствующим стимулам нейроны — они собраны в органах чувств. А вот про чувство боли долгое время было ничего не понятно. Глушить боль медикам приходилось окольными путями — тормозя воспаление напрямую (например, с помощью аспирина) или через гормоны (так работают стероиды) или перебивая ее удовольствием (через опиоиды). Но почему температура и воспаление вызывают боль и как об этом узнают нейроны, никто не знал.
В 1970-х старшекурсник Дэвид Джулиус отправился на лето во Францию — поработать в лаборатории чилийских биологов Литваков — и походя, «наслаждаясь видами Бордо и его окрестностей», выделил фермент, который «обрабатывает» транспортную РНК в ростках пшеницы. Уже тогда Джулиус был настоящим молекулярным сыщиком и строил карьеру на поиске ключевых белков, недостающих звеньев в сложных каскадах. Через несколько лет, уже в аспирантуре Калифорнийского университета Беркли он закрыл задачу, которая лежала нерешенной несколько десятков лет: нашел ключевой фермент в цепочке реакций, ответственной за синтез феромонов у дрожжей.
Уже после защиты, когда Джулиус раздумывал, за какое дело взяться следующим, ему под руку попались книги Тимоти Лири и Тома Вулфа — и с феромонов он переключился на нейромедиаторы. Эксперименты с психоактивными веществами, перевернувшие западную культуру в 60-е, добрались до лаборатории нейрофизиологов, которые быстро показали, что, с одной стороны, некоторые химические вещества действительно отлично подходят для того, чтобы будоражить чувства, но как именно они это делают — непонятно.
Через несколько лет погони за ключами к дверям восприятия в крысином мозге (в работе которого генетику, не знавшему физиологии, пришлось разбираться с нуля), Джулиус разделался и с этой проблемой — выделил первый серотониновый рецептор. Потом еще один, и еще. А по пути ученый наткнулся на новую задачу, которая захватила его воображение: где-то в глубине человеческого тела, на нейронах болевой чувствительности, прятался рецептор, который реагировал на острый перец и вызывал жжение. В народной медицине перец использовали еще ацтеки — говорят, он помогал от зубной боли — но самого рецептора никто так и не видел
Погоня за нужным белком в стоге клеточных молекул — дело муторное и небыстрое. Для этого Джулиусу и его коллегам пришлось капать на нервные клетки крысы капсаицином (действующим веществом из острого перца) и после разбирать их на отдельные молекулы РНК, чтобы зафиксировать гены, которые заработали в ответ на острый стимул. После этого на основе этих РНК исследователи строили нити ДНК — и вводили в другие нервные клетки, изначально нечувствительные к остроте.
Оказалось, что достаточно одного-единственного белка, чтобы заставить клетки реагировать на капсаицин. Причем науке он был уже известен, тогда его называли ваниллоидным рецептором — потому что с ним связывался ванилин и родственные ему молекулы. Джулиус обнаружил, что тот же самый рецептор не только связывается с капсаицином (что как раз неудивительно, поскольку часть молекулы капсаицина похожа на ванилин), но при этом открывает в себе канал — и ионы начинают течь сквозь мембрану нейрона.
Но на этом секреты ваниллоидного рецептора не закончились. Рассматривая открывшуюся ему «дверь», Джулиус обнаружил, что она относится к семейству ионных каналов TRP и переименовал ее в TRPV1. А затем заметил, что ионный канал в центре молекулы можно открыть и без капсаицина — достаточно ее просто нагреть.
Так Джулиус открыл не просто первый рецептор боли, но и первый термочувствительный рецептор. Позже по аналогии он выделил еще одну молекулу, которая связана с реакцией организма на остроту (правда, другую — не чили, а васаби) и тепло — TRPA1. А затем TRPM8, который реагирует уже на холод — правда, в этот раз он знал, что хочет найти, и специально искал в человеческом геноме родственников TRPV1, и только убедившись, что белок действительно присутствует на чувствительных нейронах, начал поливать их охлаждающим концентратом ментола. Сегодня мы знаем, что из работы всех этих рецепторов, и еще нескольких, которые открыли другие научные группы, складывается восприятие температуры, которое мы ощущаем кожей — с точностью до градуса.
А вот за ощущение внутреннего жара отвечает именно TRPV1. И именно через этот рецептор воспаление вызывает боль: воспаленная ткань нагревается, а вместе с ней нагревается (и открывается) TRPV1 на волокнах болевой чувствительности.
Казалось бы, ключ ко вратам боли подобран — осталось только научиться им правильно пользоваться. Для этого нейрофизиологи используют повышенные дозы капсаицина и его аналогов — они забивают рецепторы на поверхности чувствительных нейронов и тем самым их десенситизируют: чтобы достучаться до такого нейрона, потребуется сильно больше стимулов, чем обычно.
Но подобное лечение приносит неожиданные побочные эффекты. Мыши, у которых TRPV1 десенситизирован, начинают перегреваться. Оказывается, организм реагирует на жар не только болью — в нем запускается множество других процессов, почувствовать которые мы не можем, но которые призваны вернуть температуру к нормальным значениям. А без чувства боли нет и компенсации.
Поэтому пока что обезболивать капсаицином мы умеем только небольшие участки тела — например, суставы при артрите или поврежденные нервы при диабете. А вот с крупными органами дело пока обстоит сложнее — можно разве что целенаправленно подогреть их после какой-нибудь операции на льду.
Пока Джулиус охотился на термочувствительные рецепторы, на другом краю кампуса недавно защитивший диссертацию Ардем Патапутян тоже изучал чувствительные нейроны — следил за тем, как они развиваются в зародышах млекопитающих. Он заметил, что, хотя сами нейроны давно изучены и «размечены», как именно они воспринимают физические воздействия, никто толком не понимает.
Воодушевленный первой находкой соседа Джулиуса, Патапутян решил проверить, нет ли на чувствительных нейронах и других, похожих на TRPV1 рецепторов. Оказалось, что есть: так Патапутян независимо и параллельно со своим старшим коллегой обнаружил второй рецептор остроты и жара TRPA1 и рецептор холода TRPM8.
После этого Джулиус оставил погоню за новыми рецепторами и продолжил исследовать найденное. А у Патапутяна остался еще один нерешенный вопрос — нужно было выяснить, как обстоит дело с механической чувствительностью.
Методы, которыми работал армянский выходец из Ливана, когда-то зарабатывавший на кусок хлеба составлением гороскопов для нью-йоркской газеты, не сильно отличались от его предшественника. Сначала он поручил своему аспиранту прошерстить разные виды нервных клеток и найти ту, которая отвечала бы потоком ионов на точечный укол в мембрану. Потом исследователи определили все гены, которые работают в такой клетке — и по очереди выключали их с помощью РНК-интерференции, пока не добились потери чувствительности к уколам. Таких генов и соответствующих им рецепторов нашлось два: их назвали PIEZO1 и PIEZO2. Когда удалось рассмотреть их структуру, оказалось, что они действительно реагируют на растяжение мембраны: когда в одном месте клетки она прогибается, в другом — натягивается, лопасти рецепторов выпрямляются и между ними открывается ионный канал.
3d printed PIEZO2. pic.twitter.com/LLE13wnpbk— Ardem Patapoutian (@ardemp) September 15, 2021
Точно так же, как и в опытах Джулиуса, пересадки даже одного типа из этих рецепторов оказалось достаточно, чтобы на укол начали реагировать прежде нечувствительные клетки человеческой почки.
Правда, при ближайшем рассмотрении оказалось, что и в норме на механические растяжения реагируют далеко не только нейроны.
Как и в случае с TRPV1, команда Патапутяна обнаружила, что механочувствительные рецепторы распознают не только внешние, но и внутренние уколы и напряжения. Помимо кожи, PIEZO1 и 2 нашлись внутри блуждающего нерва и на стенках разных полых органов. Оказалось, что они откликаются на чрезмерное растяжение легких — и так нервная система узнает, что пришло время выдыхать. Через них идут сигналы о заполнении мочевого пузыря, о поступлении еды в кишечник и о росте давления в сосудах.
Без этой системы самоконтроля жизнь превращается в постоянную борьбу организма с самим собой. Мыши, у которых нет PIEZO2 с самого начала развития, не переживают родов — их легкие попросту не справляются с первыми вдохами. Взрослые животные, которые успели развиться, прежде чем у них отключили механическую чувствительность, не могут контролировать ни кровяное давление, ни мочеиспускание.
Люди со сломанным PIEZO2, в отличие от мышей, выживают. Но им приходится нелегко: у них медленно развиваются скелет и мышцы, искривлены суставы и позвоночник, им сложно ходить и, подобно мышам, они с трудом контролируют дыхание и мочеиспускание. Они не всегда реагируют на прикосновение — хотя и чувствуют боль во внутренних органах.
Список процессов, в которых задействованы механочувствительные рецепторы, продолжает пополняться — а вот управлять ими мы до сих пор не научились. Чтобы помочь людям справиться с потерей физиологического самоконтроля, нужно найти молекулы, которые заставляют рецепторы PIEZO работать. Ученые возлагают надежды на несколько недавно найденных веществ, с многообещающими названиями Yoda и Jedi. Но пока неясно, будут ли они работать в живом организме и как этот организм будет себя чувствовать.
Полина Лосева
Автор признателен за консультацию Ярославу Андрееву из лаборатории нейрорецепторов и нейрорегуляторов ИБХ РАН