探索人类温度感觉和触觉机制——解读2021年诺贝尔生理学或医学奖∗

陈佳钰 王予涵 黄佳浩 王首占 李 燕，3，4 初 明，3，4 王月丹，3，4∗∗

（1 北京大学基础医学院 北京 100191 2 北京大学附属中学 北京 100080 3 国家卫生健康委员会医学免疫学重点实验室 北京 100191 4 北京大学生物医学实验教学中心病原与免疫综合实验室 北京 100191）

对于世界的认识，是推动人类社会和文明发展的主要力量，是人类战胜和征服大自然的基础。但人类是如何感受外界信号并对世界产生认识的？这一直是科学家关心和致力研究的热点课题。

在当今科学界最高荣誉诺贝尔奖的120年历史上，曾经有6 次授予与感觉相关的研究。它们分别是视觉感受器（瑞典学者古尔斯特兰德对眼睛屈光性机制的研究，1911年获奖）、平衡位置感受器（奥地利学者巴拉尼对前庭器官的研究，1914年获奖）、听觉感受器（美国学者贝凯西因对耳蜗物理刺激机制的研究，1961年获奖）、视觉形成的机制（美国学者哈特兰、沃尔特和瑞典学者格拉尼特对视网膜功能暨视觉形成的生理化学机制的研究，1967年获奖）、视觉信息的产生（美国学者休伯尔和瑞典学者威塞尔对视觉在大脑皮层中信号形成作用的研究，1981年获奖）和嗅觉感受器（美国学者阿克塞尔和巴克对嗅觉器官和气味受体的研究，2004年获奖）。

2021年10月，诺贝尔奖评奖委员会第7 次将诺贝尔生理学或医学奖授予了有关感觉的研究。但这一次的奖励并不是授予了有关眼睛、耳朵和鼻子这三大感受器的研究，而是给予了有关辣椒和压力的研究。2021年10月4日，美国科学家朱利叶斯和帕塔博蒂安共同获得了诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在人类温度感觉和触觉机制中的研究贡献[1]。

1 揭示感受热与痛的机制从辣椒开始

要了解人类对温度的感觉，特别是对热的感觉，不得不谈及辣椒。在英文中，形容食物热或味道辣，都可用“HOT”一词，二者是有天然渊源的。

辣椒是当今各国人民都广泛食用的一种食材，其不仅含有丰富的维生素C，而且火辣的味道更是令许多人喜爱甚至上瘾。食用辣椒后，人们会感受到辣味，而这并不是一种味觉，因为人类舌头的味蕾只能感受酸、甜、苦、咸4 种味道，辣味本质上是一种灼烧而导致的痛觉。这种灼烧的痛觉甚至可使人体大脑误认为受到了伤害，产生出具有止痛作用的内啡肽，导致出现欣快感，这可能也是一些人对辣椒上瘾的部分原因。

食用辣椒后，人体为什么会感到辣味或有灼烧的痛感？这是因为辣椒含有一种被称为辣椒素的生物碱，分子式为C18H27NO3，化学名称为反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺，是具有香草素基团的化学物质[2]。虽然，早在19世纪后期至20世纪早期，人们通过一系列的分离与化学研究，已知辣椒素是产生辣味的主要活性成分，并获得了其准确的化学结构，但并不清楚引起辣味感觉的确切机制。

随着现代神经科学的发展，人们逐渐认识到人体对世界的感受和认识，是通过感受器获得信号，再通过传入神经元传导进入中枢神经系统，从而引起感觉。在脊椎动物中，传入神经元的细胞胞体部分，主要集中于背根神经节（dorsal root ganglion，DRG）和三叉神经节中，主要传导来自身体各处及头面部各个部位感受器对温度、机械性或化学性刺激等多种信号[3]。其中，位于DRG 的许多神经元是人体感受痛觉、机械性损伤、过冷和过热等伤害性刺激信号的传入神经元。与热和痛相关的辣味感觉神经元是否也是DRG 的神经元？

为回答这个问题，1997年，朱利叶斯团队将DRG 神经元表达的mRNA 分子逆转录为cDNA 片段，并建立了cDNA 文库。在此基础上，将DRG 的cDNA 文库中的基因片段转染到对温度或其他伤害性刺激无反应的工程细胞——HEK293 细胞中，并通过特异性的钙流观察染料Fura-2 进行检测，以确定转染哪些基因片段，可使HEK293 细胞获得包括辣椒素在内的多种伤害性刺激信号进行反应的能力[4]。

通过筛选性的研究，朱利叶斯发现，辣椒素能激活一种被称为辣椒素受体或香草素受体-1（vanilloid receptor 1，VR1）的分子，从而使转染过编码该分子基因的HEK293 细胞出现钙离子流动等被活化的现象[5]。经DNA 序列分析，VR1 属于瞬时感受器电位受体（transient receptor potential,TRP）超家族的成员，被命名为TRPV1分子。TRPV1分子可被热刺激所激活，当温度超过43℃时，动物可出现退缩反应，但若敲除TRPV1 的编码基因，这种对热的退缩反应则消失。

自从TRPV1 分子被发现后，人们对其结构和功能进行了深入研究。TRPV1 分子是一种由配体结合控制的非选择性阳离子通道蛋白。当辣椒素等物质与TRPV1 受体结合时，可导致钠离子和钙离子等阳离子进入至细胞内，引起一系列的生物学效应，以感知伤害性刺激信号。2013年，朱利叶斯及其合作者采用冷冻电子显微镜技术解析了TRPV1 的分子结构。该分子是一个6 次跨膜蛋白，不同的胞外结构，可导致其感知不同的伤害性刺激信号。例如，鸟类的TRPV1 和哺乳动物的TRPV1 分子在第2～4 跨膜区存在差异，虽然都可介导对热的感觉，但鸟类却感受不到辣椒素的刺激，这正是鸡在食用辣椒籽之后感到辣而不会退缩的主要原因。

TRPV1 主要分布于发出无髓鞘的C 类神经纤，以及部分薄髓鞘的A 神经纤维的可感知伤害性刺激的传入神经元上，可被刺激性化学物质辣椒素等芳香草醛化合物、热刺激（>43℃）和酸刺激（pH<6.0）等伤害性刺激因素所活化，触发其末梢释放神经肽类和兴奋性氨基酸等神经递质，引起大脑皮层的痛觉形成，将伤害性刺激信息传入至中枢神经系统中，使机体对这种伤害作出回避等反应，这对机体提高生存能力是非常重要的。

TRPV1 不仅可介导机体对于接触刺激性化学物质和灼烧等物理性损伤而导致的痛觉形成，参与能对机体进行警示并作出保护性反应的急性疼痛的形成；而且还可参与关节炎症[6]、恶性肿瘤[7]及胃肠等内脏疾病[8]导致的病理性疼痛过程。炎症过程、恶性肿瘤生长或转移产生的肿瘤坏死因子、胰岛素样生长因子（IGF-1）、内源性甲醛和H 离子等，均可上调TRPV1 的表达或敏感程度，而引起或加重疼痛的症状[8]。例如，甲醛可通过ERK、P38、JNK 和PI3K 信号通路，上调DRG 中TRPV1 的表达而提高机体对于痛觉的敏感程度[7]。朱利叶斯发现，应用TRPV1 抑制剂磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）能缓解恶性肿瘤动物模型中对癌症疼痛的敏感性。

鉴于此，TRPV1 是一个研究疼痛机制和开发止痛药物的重要目标分子，通过钝化TRPV1 的敏感度，可用于止痛、镇痛。由于TRPV1 分布广泛、作用机制复杂，目前为止，还没有以该分子为靶点的药物通过临床3 期试验而上市。与之相反，由于辣椒素可通过TRPV1 的作用，使人和动物感受到强烈的伤害性刺激，辣椒素可作为喷雾剂驱逐猛兽或违法犯罪分子。

随着人们对TRPV1 及其作用机制的深入研究，越来越多的类似功能受体被发现和克隆。例如，可感受更高温度（超过53℃）的热感觉受体分子VRL-1/TRPV2，但不会对辣椒素和较低温度（超过42℃）发生反应，可感受薄荷成分的刺激及冷感觉（低于26℃）的受体分子TRPM8/CMR1，还有能对芥子油成分刺激进行反应的TRPA1 等，均被一一发现[9-10]。这些成果使人类对于温度和疼痛感觉的形成机制的认识逐渐清晰。

2 触碰而感受世界万物的机制

与朱利叶斯共同分享诺贝尔奖的另一位科学家，对温度和疼痛感觉受体TRPM8 和TRPA1 的研究也作出了非常大的贡献。2002年，帕塔博蒂安利用生物信息学的方法得到了TRPM8 分子，通过钙离子成像技术，证实该分子可介导细胞对冷刺激和薄荷醇产生反应，随后又证实，敲除该基因可导致小鼠的冷感觉功能受到影响。2008年，帕塔博蒂安克隆出在皮肤角质细胞中表达的对非伤害性刺激进行反应的TRPV3 和可对冷刺激（温度低于20℃）及大蒜提取物（或芥子油成分）进行反应的受体TRPA1/ANKTM1[4]。其实，在我国传统医学中使用的用于治疗过敏性哮喘的三伏（九）贴，就是利用芥子等中药中的芥子油成分刺激皮肤角质细胞的受体而发挥作用的。

在后续的研究中，帕塔博蒂安又有了更为重要的发现。在研究TRPA1 时，帕塔博蒂安及其合作者发现，线虫和果蝇中也存在TRPA1 分子的表达，并且可介导其对温度的感受。利用此发现，Kindt 等揭示TRPA1 可介导果蝇的时空感觉和线虫对于机械物理性刺激的感觉过程。虽然Viswanath 等证实，TRPA1 介导的对物理机械刺激发生感觉的作用在小鼠等高等动物中并不存在，但这却使帕塔博蒂安对研究机械性刺激引起的触觉形成产生了浓厚的兴趣[4,11]。

2010年，帕塔博蒂安在《科学》杂志上发表论文，通过RNA 干扰（RNAi）敲减小鼠神经母细胞瘤细胞系Neuro2A 的基因，并利用膜片钳技术，通过电极测量细胞对于机械性刺激产生的电流反应强度，可用于筛选出能介导感受机械力变化形成触觉的受体分子。

利用这种筛选系统，帕塔博蒂安在73 个候选基因中逐一进行筛选，发现Fam38A基因编码的产物可介导细胞对于机械刺激的电流反应，于是将这个产物命名为Piezo（拉丁文“压力”一词的英文音译）分子[12]。Piezo 家族包括2 个通道蛋白受体分子成员，Piezo1 和Piezo2，具有感受机械性刺激的能力。若将这2 个基因表达水平进行敲减，即可明显降低细胞对于机械性刺激的反应性电流强度，而将其在本身不能对机械性刺激产生反应的细胞中，则可让这种细胞获得对机械性刺激的反应能力。2014年，帕塔博蒂安等还发现Piezo2 在皮肤表皮的Merkel 细胞和神经元中介导了触觉的形成过程。

受帕塔博蒂安研究工作的启示，研究者在Piezo1/2 的研究领域中进行了大量工作，对其功能和结构的认识也越来越明确。在动物体内的研究发现，触觉的形成感受相关组织中Piezo1/2 的表达量也较高，而Piezo2 还参与介导了本体感觉（位置深感觉）的形成。结构生物学的发展又从结构分析的角度支持了Piezo1/2 分子对于触觉形成的作用。

目前普遍认为，Piezo1/2 分子在各种物种中都具保守性。在脊椎动物中，Piezo1 具有广泛的生物学功能，不仅参与介导触觉的形成，而且参与心肌细胞的收缩[13]、骨骼的生成与再生修复[14]和肿瘤细胞的迁移[15]等重要的生理及病理生理学过程；Piezo2 则直接参与介导触觉、本体感觉和对内脏机械力感知的过程[16]。

3 启示与展望

对温度、疼痛和机械性刺激的感受，是机体感觉世界万物存在的基本能力。揭示触觉、痛觉和温度感觉形成的作用机制，有利于了解人类认识世界能力的形成和范围边际，也可用于对人类感觉和认识能力的升级与优化，提升人类认识自然和征服自然的能力，这也是诺贝尔奖120年历史上7 次眷顾神经系统感觉形成研究领域的理由，因为人类对于认识和了解自身能力的需要和兴趣是推动生命科学发展的重要动力源泉之一。

在朱利叶斯和帕塔博蒂安的研究中，使用了生物信息学分析、cDNA 文库转染及筛选、RNAi 基因敲减和冷冻电镜结构生物学分析等现代生物科学技术，从分子结构到功能研究的速度，都远远超过了之前生物医学研究中的进展速度，使复杂的温度、疼痛与触觉感受的机制能在较短的时间内被基本阐明，这标志着人类对生命科学的研究能力正在不断地提升。相信在不久的未来，会有越来越多的复杂生命现象被人类所认知，从而推动人类社会和文明的更大发展，造福人类。