Šiltų prisiglaudimų paslaptis

2021 m. Nobelio premija fiziologijos ir medicinos srityje skirta Deividui Džuliusui1) (JAV) ir Ardemui Pataputianui2) (JAV) už temperatūros ir mechaninio jutimo receptorių atradimą.

Taip pat skaitykite Už ką Nobelio negavo V. Šikšnys?  

Žinoma, kad kiekvienam jutimo (kvapo, skonio, šilumos, prisilietimo, ...) tipui yra specialūs keliai nuo atitinkamų receptorių į smegenis. Dar 9-me dešimtm. tyrinėtojai pradėjo kalbėti, kad atskiri nervai turėtų būti temperatūros ir prisilietimų pojūčiams. Kad skirtingi neuronai atlieka skirtingas funkcijas, kad skirtingi somatosensoriniai nervai į smegenis siunčia skirtingus signalus parodė dar Dž. Erlangeris3) su H.S. Gaseru4) (už ką gavo Nobelio premiją 1944 m.). bet liko neaiškus, kaip išorinis stimulas (temperatūra ar paspaudimas) virsta impulsu. Tam turėjo atlikti tam tikri receptoriai, o jų suradimui reikėjo sulaukti molekulinės biologijos metodų iškilimo. Nobelio fiziologijos: Džiuliusas ir Pataputianas

Ląstelės veikla didele dalimi priklauso nuo to, kokius baltymus ji sintezuoja. Tačiau bet kuri ląstelė turi didelį kiekį baltymų. Kaip suprasti, kuris baltymas susijęs su dominančia funkcija? Paeiliui po vieną išimti iš ląstelės baltymus, tirti jų struktūrą, su sąryšį su kitomis molekulėmis – ypač sunkus ir mažai efektyvus darbas, ypač kol dar net nežinom, ko ieškom. Kitas kelias – perkelti baltymą į kokią nors kitą ląstelę ir pažiūrėti, kaip ji pasikeičia. Bet kaip perkelti baltymą?! Reikia paimti jo geną ir „įterpti“ į kitos ląstelės genomą. Mums netgi nereikia žinoti, koks genas yra reikalingas ir kur jo vieta DNR. Juk DNR genetinė informacija iš pradžių kopijuojama į RNR, o ši naudojama kaip matrica baltymo sintezei. Jei ląstelė aktyviai naudojasi kuriuo nors genu, joje bus daug RNR kopijų. Jas paimame iš ląstelės ir pagal jas kuriam DNR kopijas (nes su DNR dirbti paprasčiau ir patikimiau) ir jau šias DNR perkeliam į kitą ląstelę.

Ląstelė vienu metu naudoja ne vieną, ne du, o daug genų. Tad turėsim DNR kopijų iš skirtingų RNR biblioteką ir mums prireiks daug ląstelių išbandymui. Svarbiausia, kad į vieną ląstelę patektų tik vieno „svetimo“ geno DNR kopija. Ląstelė pradės dalintis ir sintetinti svetimą baltymą ir su jos „palikuoniais“ galėsime daryti įvairius bandymus.

Tad reikia visos krūvos metodų, leidžiančių manipuliuoti DNR ir RNR, skaityti jų sekas, įterpti į ląsteles. Jie buvo aktyviai vystomi nuo pat DNR struktūros atradimo (1953) ir 20 a. pabaigoje jau uvo plačiai naudojami. Tad kai D. Džuliusus (JAV) ir A. Pataputianas ėmėsi ieškoti termoreceptorių, jie pirmiausia iš nugaros smegenų neuronų išskyrė visas RNR, iš jų sintetino DNR ir siuntė į ląsteles vadinamas HEK293, vienas populiariausių ląstelių gaunamas iš žmogaus embrioninių inkstų. Bet kodėl pasirinktos nugaros smegenys?! Neuronai turi ataugas, reikalingas priimti ir siųsti elektrocheminiams signalams, kurios kartais yra labai ilgos ir pasiekti raumenis ar odą. Tačiau su pačiu neuronu paprasčiau dirbti nei su ilga, plona ir išsiraičiusia atauga.

Šiaip, jiedu pradžioje ieškojo ne tiek termoreceptorių, kiek skausmą perduodančių neuronų – skausmo, sukeliamo deginančio alkaloido kapsaicino, esančio čili pipiruose. Buvo žinoma, kad kapsaicinas verčia odą prakaituoti ten, kur paveikia sensorinius neuronus – t.y. jo poveikis tarsi nuo stipraus karščio. Dar buvo žinoma, kad kapsaicinas skleidžia jonų srautus per neuronų membranas. Neurono impulsas prasideda jonų pergrupavimu išorinėje ir vidinėje membranos pusėse, jonai, savo ruožtu, membraną pereina per specialius baltymų kanalus. Tad kapsaicinas, greičiausiai, paveikė vieną tų baltymų. Ir dar žinota kad šiluminis nudeginimas taip pat paskleidžia jonų srautą per membraną – taigi, matyt, temperatūra irgi veikia kažkurį jonų kanalą. Tad buvo visos prielaidos spėjimui, kapsaicino poveikis susijęs su termoreceptoriais.

D. Džuliusas su kolegomis iš Kalifornijos un-to San Franciske išsiaiškino, kad jautrumas kapsaicinui susijęs su genu TRPV1, kuris koduoja baltymą iš plačios TRP (trumpalaikio potencialo) receptorių šeimos; jie trumpam pakeičia neuronų membranos elektrinį potencialą per save praleisdami teigiamus jonus. Tyrėjai nustatė, kad tos ląstelės reaguoja ne tik į kapsaiciną, bet ir aukštą temperatūrą (jonų kanalas „atsidaro“ prie 43oC). Struktūriniai tyrimai parodė, kad TRPV1 amino rūgščių grandinė kelis kartus „praduria“ ląstelės membraną supurdama porą. Veikiant padidėjusiai temperatūrai ar kapsaicinui (bei kai kurioms kitoms medžiagoms) TRPV1 sritys viena kitos atžvilgiu keičia išsidėstymą ir pora atsiveria. Stimului nuslopus, baltymo struktūra vėl pasikeičia ir pora užsidaro. Sensorika

Tad TRPV1 pasirodė tikrai esąs dvigubos funkcijos receptoriumi. Tačiau tam, kad pajustum deginimą, vieno TRPV1 nepakanka. Tolimesni tyrimai parodė, kad reikia dar ir TRPA1 (atrasto 2004 m.), TRPM3 (atrasto 2011 m.). TRPA1 yra multireceptoriumi, reaguojančiu ne tik į temperatūrą, bet ir „deginančias“ medžiagas (iš garstyčių, krienų, imbiero ir kt.). Dar paaiškėjo, kad kai kurie „šiluminiai“ receptoriai reaguoja ne tik į karštį, bet ir nuosaikesnes temperatūras, o įprastai temperatūrai turimi ir savi receptoriai, pvz., TRPM2. O kad pajustume šilumą, reikia dar ir nuslopinti šalčio neuronus su jų receptoriumi TRPM8, „įsijungiantį“, kai šiluma nukrenta žemiau 28oC. Veikiant kartu sugebama pajausti 1oC temperatūros pokyčius.

Visi jie tebetiriami iki šiol, tačiau lemiamas lūžis įvyko 20 a. pabaigoje po D. Džiuliuso publikacijų apie TRPV1. Prie šių rezultatų „ranką pridėjo“ ir kitas 2022 m. Nobelio premijos laureatas A. Pataputianas, TRPV1 atradęs nepriklausomai nuo D. Džiuliuso. Tačiau jam premiją skyrė už mechaninių pojūčių receptorių nustatymą – apie tai jis pradėjo skelbti nuo 2010-ųjų. Nors jie buvo tiriami jau 40 m. ir daug išsiaiškinta apie juos dėl bakterijų ir vabzdžių, vis dar nepavyko jų aptikti pas stuburinius gyvūnus. Buvo aišku, kad ir čia turėtų būti kažkoks jonų kanalas. A. Pataputianas su kolegomis iš Skripso inst-o dirbo su pelių nervų audinio auglių ląstelėmis Neuro2A, iš dalies panašiomis į kamienines, nes įvairiais veiksniais galima priversti diferencijuotis, t.y. panašėti į tikrus neuronus.

Pirmiausia tyrėjai išmoko priversti Neuro2A įgauti atitinkamas neuronų savybes, tame tarpe tapti jautriomis mechaniniam poveikiui – atsiradus spaudimui per membranas imdavo tekėti elektros srovė. Liko „perrinkti“ genus, aktyvius tokiose ląstelėse – jose slopino aktyvumą ir tikrino, ar ląstelės liovėsi reaguoti į slėgį.

Taip pavyko rasti baltymą PIEZO1 (gr. piesi - slėgis) – ir kai jį aktyvavo HEK293 ląstelėse, mechaninio poveikio atveju per membraną pradėjo tekėti elektros srovė. 2014 m. jo grupės straipsnyje aprašomos pelės be PIEZO2 baltymo mechanikosensoriniuose neuronuose ir su jais susijusiose Merkelio ląstelėse – mat prisilietimas pajuntamas tarsi dukart: jį jaučia Merkelio ląstelės su PIEZO2 ir perduoda signalą neuromas, o taip pat jį jaučia ir patys neuronai. Pelės be PIEZO2 nejautė net švelnių prisilietimų.

PIEZO tapo visai nauja baltymų šeima. Jų labai sudėtinga struktūra: jie gana stambūs, sudaryti iš trijų baltymų molekulių ir iš viršaus atrodo tarsi ventiliatorius – ašis, prie kurios tvirtinasi „mentelės“, yra pora. Kol ląstelės niekas netrikdo, PIEZO „mentelės“ išsikreipę taip, kad baltymas su membranos dalimi sudaro „taurę“. Tačiau paspaudus šią struktūrą, ji išsitiesina ir į viršų kilsteli tą molekulės dalį, kuri tarnauja kaip pora, ji „atsiveria“ ir per ją ima tekėti jonai.

Vis tik, kiek svarbūs termo ir prisilietimo receptoriai?! Aišku, jie neleidžia mums perkaisti ar peršalti. Tačiau visiems biocheminiams procesams organizme irgi būtinos tam tikros temperatūros. O be PIEZO negalėtume atskirti lygas nuo šiurkštaus, kieto nuo minkšto, lankstaus nuo tvirto. Netgi jokio daikto negalėtumėm paimti – tarkim stiklinę arba suspaustumėm taip, kad ji sutrupės, arba neišlaikytumėm ir sudužtų nukritus. Ir aplamai nejustume viso kūno, neveiktų kraujotaka (juk kraujas slegia kraujagyslių sieneles) ir t.t. vienu žodžiu, negyventume! Juk PIEZO atlieka ir kitas funkcijas: PIEZO1 dalyvauja epitelio atsinaujinime, o taip tat stimuliuoja uždegiminius genus, neleisdami mirti infekcijų metu.

Trumpos biografijos:

1) Deividas Džiuliusas (David Jay Julius, g. 1955 m.) – aškenazių žydų išeivių iš Rusijos kilmės amerikiečių fiziologas, Nobelio premijos laureatas fiziologijos ir medicinos srityje (2021), žinomas tyrinėjimais nocicepcijos (skausmo pojūčio) ir termorecepcijos srityse. Būdamas doktorantu ir post-doktorantu Berklyje ir Kolumbijos universitetuose, domėjosi, kaip veikia psilocibiniai grybai ir LSD, kas leido pažvelgti plačiau į tai, kaip veikia žmogaus receptoriai. Nuo 1990 m. dirba Kalifornijos un-te San Franciske. 2007-20 m. buvo žurnalo „Annual Review of Physiology“ redaktoriumi.

2) Ardemas Pataputianas (Ardem Patapoutian, g. 1967 m.) – armėnų iš Libano kilmės amerikiečių neurobiologas ir molekulinės biologijos mokslininkas, Nobelio premijos laureatas fiziologijos ir medicinos srityje (2021). į JAV emigravo 1986 m. Jis tyrinėja signalų perdavimą neuronais. Prisidėjo nustatant joninius kanalus ir receptorius, aktyvuojamus temperatūros pakitimu, mechaniniu poveikiu ar ląstelės apimties padidėjimu.

3) Džozefas Erlangeris (Joseph Erlanger, 1874-1965) – amerikiečių fiziologas, Nobelio premijos laureatas fiziologijos ir medicinos srityje (1944). Su H. Gaseru patobulinęs osciloskopą, gal galėtų muoti silpnas sroves,i dentifikavo atskirų neuronų ataugų funkcijas ir nustatė sąryšį tarp veiksmo potencialo greičio ir neurono skersmens (tiesiškai proporcingi). Jo garbei pavadintas krateris Mėnulyje.

4) Herbertas Gaseras (Herbert Spencer Gasser, 1888-1963) – austrų emigrantų kilmės amerikiečių fiziologas, Nobelio premijos laureatas fiziologijos ir medicinos srityje (1944). 1935-53 m. vadovavo Rokfelerio medicininių tyrimų inst-ui. Pirmajame pasauliniame kare ėmus naudoti cheminius ginklus, jį ragino ištirtų jų poveikį žmogaus fiziologijai. Vėliau tyrinėjo žmogaus neuronų veikimą.

Lietimo iliuzijos
Mikrobiotechnologija
Robertas Kochas ir Lietuva
3-iojo tūkstantmečio mokslas
Nanomedicina nusitaiko į vėžį
Celuloidas: plastmasių prosenelis
Už ką Nobelio negavo V. Šikšnys?
Atvertas kelias į amžinos jaunystės fontaną
Šiuolaikinė fizika – į tiesą panašus mitas?
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Kaip evoliucija mus atvedė į beprotybę
Elektra, kol dar nebuvo vartotojų
6 būdai paspartinti smegenų veiklą
Žarnyno bakterijų perspektyva
Siurbkite tiesiai į smegenis
Manipuliacijos šviesa
Kodėl kraujas raudonas?
Faktas ar frenologija
Atominio amžiaus vaikai
Kai reikia laisvinamųjų
Stomatologijos istorija
Augalai - chemikai
Vartiklis