2021 年诺贝尔生理学或医学奖于北京时间 10 月 4 日下午 17 点 30 分公布，今年的获奖者是 David Julius 和 Ardem Patapoutian，因发现温度与触觉受体获奖。
以下为丁香园编译诺奖官网对两位科学家研究成果的介绍。
感知热、冷和触觉的能力对于生存至关重要，这是人类与周围世界互动的基础。在日常生活中，我们认为这些「感觉」理所当然，但这些变化如何引发神经冲动？
今年的诺贝尔奖获得者 David Julius 和 Ardem Patapoutian 解决了这个问题。
David Julius 利用辣椒素（一种来自辣椒的刺激性化合物，可引起灼热感）来识别皮肤神经末梢中的热觉传感器，Ardem Patapoutian 则发现对皮肤和内部器官中的机械刺激做出反应的传感器，填补了人类理解感官与环境之间复杂相互作用的关键缺失环节。
千年以来，感官机制如何运作激发着人类的好奇心：眼睛如何检测光线？声波如何影响我们的内耳？不同的化合物如何与我们鼻子和嘴巴中的受体相互作用，从而产生气味和味道.……我们还有其他方式来感知我们周围的世界？想象一下，在炎热的夏日，赤脚走过草坪，我们可以感受到炽热的太阳、风的轻抚和脚下每一片草叶。
17 世纪，哲学家 René Descartes（笛卡尔）曾设想不同部分的皮肤通过线与大脑连接，通过这种方式，踩在火上的脚会向大脑发送机械信号（图 1）。后来的发现则揭示了记录我们环境变化的特殊感觉神经元的存在。
图 1：哲学家笛卡尔想象的热量向大脑发送信号示意图
1944 年，Joseph Erlanger 和 Herbert Gasser 因发现不同类型的感觉神经纤维而获得诺贝尔生理学或医学奖，这些结果表明，神经细胞通过对不同类型的刺激检测和转导，实现对周围环境的细微感知。例如：我们能够通过指尖感受表面纹理差异，我们能辨别令人愉悦的温暖和痛苦的巨热。
但在 David Julius 和 Ardem Patapoutian 发现之前，我们对神经系统如何感知环境的理解仍然有个地方不清楚：温度和机械刺激如何在神经系统中转化为电信号？
1990 年代后期，美国旧金山加利福尼亚大学的 David Julius 通过分析辣椒素引起接触辣椒时感到的灼烧感，看到了重大进步的可能性。
已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神经细胞，但这种化学物质如何真正引发痛觉当时仍然是一个未解之谜。
Julius 和他的同事构建了一个包含数百万个 DNA 片段的基因库，这些片段是感觉神经元中的表达基因，可以对疼痛、热和触摸做出反应。
Julius 及其同事假设该基因库中包含能编码辣椒素反应蛋白质的 DNA 片段，他们在通常不对辣椒素发生反应的细胞中表达了来自基因库的单个基因。
经过艰苦的搜索，他们确定发现了一个辣椒素感应基因（图 2），从而鉴定出该基因编码了一种新的离子通道蛋白，这种新发现的辣椒素受体后来被命名为 TRPV1。
Julius 进一步研究这种蛋白质对热的反应能力时还发现了一种热敏受体，它在人体感受到温度变化时被激活（图 2）
图2：David Julius 使用辣椒素来鉴定 TRPV1，这是一种由热痛激活的离子通道，使得我们了解温度变化如何在神经系统中诱导电信号。
TRPV1 的发现是一项重大突破，为揭开其他温度感应受体开辟了道路。David Julius 和 Ardem Patapoutian 各自独立地使用化学物质薄荷醇来识别 TRPM8 受体（一种被证明会被寒冷激活的受体），随后与 TRPV1 和 TRPM8 相关的其他离子通道被发现。
许多实验室相继开展研究项目，通过使用缺乏这些新发现基因的小鼠来研究这些通道在热感觉中的作用，David Julius 对 TRPV1 的发现使我们了解温度差异如何在神经系统中诱发电信号。
尽管温度感觉的机制正逐渐被揭秘，但机械刺激如何转化为我们的触觉和压力感觉仍不清楚。研究人员之前已经在细菌中发现了机械传感器，但脊椎动物的触觉机制仍然未知。
在美国加利福尼亚州 Scripps Research 工作的 Ardem Patapoutian 希望能够确定被机械刺激激活的受体究竟是什么。
Patapoutian 和他的合作者首先确定了一种细胞系，当用微量移液管戳单个细胞时，该细胞系会发出可测量的电信号。他们假设被机械力激活的受体是离子通道，并且在下一步中鉴定了编码可能受体的 72 个候选基因。这些基因被一一灭活，以此来探索负责研究细胞机械敏感性的基因。
经过艰苦的搜索，Patapoutian 和他的同事们成功地确定了一个基因，该基因的沉默使细胞对微量移液器的戳刺不敏感。一种全新的、完全未知的机械敏感离子通道被发现并命名为 Piezo1。第二个基因则被发现和命名为 Piezo2。感觉神经元被发现表达高水平的 Piezo2，进一步研究证实 Piezo1 和 Piezo2 是离子通道，会被施加在细胞膜上的压力直接激活（图 3）。
图 3：Patapoutian 使用培养的机械敏感细胞来识别由机械力激活的离子通道。经过艰苦的工作，他们发现了 Piezo1 和 Piezo2。
Patapoutian 的突破性发现使他和其他团队发表了一系列论文，证明 Piezo2 离子通道对触觉至关重要。此外，Piezo2 被证明在重要的身体位置和运动感知（称为本体感觉）中发挥着关键作用。在进一步的研究中，Piezo1 和 Piezo2 通道已被证明可以调节其他重要的生理过程，包括血压、呼吸和膀胱控制。
两位诺奖获得者对 TRPV1、TRPM8 和 Piezo 通道的突破性发现让我们了解热、冷和机械力如何引发神经冲动，以此来感知和适应周围的世界。
TRP 通道是人体感知温度的核心，Piezo2 通道赋予我们触觉和感知身体位置和运动的能力，TRP 和 Piezo 通道也有助于许多额外的感测温度或机械刺激的生理功能。
目前，还有很多正在进行中的研究侧重于阐明这些通道在各种生理过程中的功能，这些知识被用于开发多种疾病的治疗方法，包括慢性疼痛（图 4）。
图 4 今年的诺奖获得者的开创性发现解释了热、冷和触摸如何在我们的神经系统中引发信号，这些离子通道对许多生理过程和疾病发生来说非常重要
责任编辑：亦欣
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