Команда, возглавляемая биологами из Исследовательского института Скриппса (TSRI), решила давнюю загадку нейробиологии, определив "механорецептор" белок, который опосредует осязание у млекопитающих.
Мыши, у которых отсутствует белок ионных каналов Piezo2 в клетках кожи и нервных окончаниях, теряют почти всю свою чувствительность к обычному легкому прикосновению, но сохраняют в основном нормальную чувствительность к болезненным механическим раздражителям.
"Можно с уверенностью сказать, что Piezo2 является основным сенсорным датчиком у млекопитающих," сказал Ардем Патапутян, профессор TSRI и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
Патапутян и его коллеги сообщают о своем открытии в выпуске журнала Nature от 4 декабря 2014 г.
Разгадывая подсказки
К 1980-м годам ученые узнали идентичность и последовательность основного фоторецептора белка, лежащего в основе зрения млекопитающих. С начала 1990-х они выявляют рецепторы запаха и вкуса. Но механорецепторный белок, опосредующий осязание, был более неуловимым. "Он работает в очень немногих специализированных клетках, и их не так много в этих клетках," Патапутян сказал, "и вначале у нас не было много подсказок о том, как это будет выглядеть."
Четыре года назад с помощью передовых методов геномики Патапутиан и сотрудники его лаборатории смогли идентифицировать два механически активируемых белка ионных каналов, Piezo1 и Piezo2, в клетках мыши. Физическая сила, достаточная для деформации клеточной мембраны, в которую был встроен один из этих ионных каналов, могла эффективно переключать ионный канал из закрытого в открытый, позволяя натрию или другим положительно заряженным электролитам течь внутрь. В сенсорном нерве это может вызвать электрический нервный импульс, преобразовывая физическую силу в нервный сигнал.
Из двух недавно идентифицированных белков ионных каналов только Piezo2 значительно экспрессировался в сенсорных нейронах, которые расположены в ганглиях задних корешков позвоночника и распространяют свои нервные отростки в кожу. Это побудило Патапутиана сосредоточиться на нем как на вероятном преобразователе осязания у млекопитающих.
В прошлом году Патапутян и его коллеги сообщили, что Piezo2 работает как сенсорный датчик на клетках Меркеля, специализированных клетках, которые лежат на чувствительных к прикосновению нервных окончаниях в коже и усиливают осязание у мышей.
Один ионный канал для одного типа касания
В новом исследовании исследователи распространили эти результаты на сами чувствительные к прикосновению нервные окончания. Они часто имеют форму для обнаружения различных типов и направлений силы, а для дополнительной чувствительности могут быть прикреплены к другим чувствительным к силе структурам, таким как клетки Меркеля или волосяные фолликулы.
Для начала ученые использовали специальных мышей, выведенных в ходе более раннего исследования клеток Меркель, проведенного докторантом Сын-Хен У, которые производят Piezo2, связанный с флуоресцентным белком. Это позволило им подтвердить с помощью результирующей флуоресценции, что Piezo2 экспрессируется в широком диапазоне "низкопороговый механорецептор" нервные окончания, которые встроены как в волосистые, так и в безволосые участки кожи мыши.
Следующим шагом было удаление гена Piezo2 у мышей и наблюдение, продолжают ли животные нормально реагировать на сенсорные стимулы. Но мыши, выведенные без Piezo2, все умерли при рождении. Таким образом, постдокторант Санджив С. Ранаде, ведущему автору статьи, пришлось выполнить непростую задачу по разработке "условный нокаут" линия мышей, в которой ген Piezo2 мог быть почти полностью удален у уже зрелых мышей и только из их сенсорных нейронов ганглиев задних корешков и клеток Меркеля.
Электрические испытания этих нейронов, выращенных на мышах, проведенные штатным научным сотрудником Адриенн Дубин, показали, что они практически утратили способность реагировать на механические стимулы, которые требовались бы для восприятия обычного легкого прикосновения. Сотрудник Гэри Левин и сотрудники его лаборатории в берлинском Центре молекулярной медицины Макса-Дельбрюка обнаружили такую же глубокую потерю механочувствительности в специальных тестах неповрежденных кожных нервов мышей.
Мыши, лишенные Piezo2 в своих нервных окончаниях и клетках Меркеля, также показали явное поведенческое отличие от нормальных мышей. "В ряде тестов мы наблюдали резкое снижение их реакции на обычные легкие сенсорные раздражители," сказал Ранаде.
Примечательно, что эти нечувствительные к прикосновению мыши оставались отзывчивыми на раздражители кожи, которые обычно болезненны, такие как тепло, холод и щипки. Считается, что болезненные механические ощущения, такие как защемление, опосредуются высокопороговыми механорецепторными нервными окончаниями, которые требуют большей силы для активации. "У мышей с условным нокаутом Piezo2 функции этих высокопороговых механорецепторных нервов не пострадали," Патапутян сказал.
Открытие предполагает, что обнаружение света, безобидное прикосновение, которое мы обычно считаем "осязание"- опосредуется в основном одним набором нервных окончаний с использованием ионных каналов пьезо2. Напротив, более сильные, вызывающие боль ощущения прикосновения, по-видимому, опосредуются менее чувствительным к силе набором нервных окончаний с их собственными белками ионных каналов, которые еще предстоит обнаружить.
Возможные приложения
Патапутян теперь планирует выяснить, сколько "перекрестные помехи" существует между этими двумя механочувствительными нервными системами. Хорошо известно, что при хронических болевых состояниях даже легкие прикосновения могут вызывать болезненные ощущения. "Это открытие теперь позволяет нам проверить взаимосвязь между прикосновением и болью," он сказал.
Он и его коллеги также исследуют роль Piezo2 в других частях тела, где он экспрессируется, включая легкие.