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因为诺奖,这些小鼠将爆红!


北京时间10月4日下午17:30,2021年诺贝尔生理学或医学奖公布,获奖的是两位美国科学家 David Julius 和 Ardem Patapoutian,以表彰他们发现了人体对温度和触觉的受体(receptor)。正如诺奖委员会所说的那样,我们感知热、冷和触觉的能力对生存至关重要,这是我们与周围世界互动的基础。

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图1. 2021诺贝尔生理学或医学奖得主


我们如何感知世界

感觉是我们与生俱来的能力,人们早就习以为常,但是科学家们一直在探索感觉背后的机理。早在十七世纪,法国科学家笛卡尔就提出皮肤的不同部位上有线条与大脑相连。例如,一只脚接触了明火,就会向大脑发送一个信号,这是对感觉最初的探讨。之后的发现把这些线条定义为感觉神经元,专门记录环境的变化。现如今,科学家们已经明白神经细胞在感受和传导不同的刺激方面是高度特化的,例如,指尖轻触可以感受出衣服的不同质地......

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图2. 笛卡尔的假说

但是,还有2个未解之谜一直困扰着我们,神经系统是如何传导温度刺激和机械刺激的?今年的诺贝尔生理学或医学奖,为大家揭晓了这个谜题。

辣出来的诺奖

今年 65 岁的 Julius,是美国加州大学旧金山分校的教授。他研究的主要是温度和疼痛受体,揭示我们如何感受冷暖和化学物质的刺激。从神经层面来看,我们的大多数感官都在进行「接受刺激 – 传递信号 – 大脑接收并作出反应」,这一神经环路少不了受体的参与。上世纪90年代末,Julius 教授开始埋头研究辣椒素如何引起我们的灼热和疼痛感,他跟同事创建了一个有几百万 DNA 片段的数据库,最终在感受疼痛的神经元中识别出受体分子 TRPV1。
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图3. David Julius
TRPV1 是位于神经细胞膜上的一类离子通道,能被高温和辣椒素激活打开,这也解释了为什么你每次吃辣总是满头大汗,并热出火辣辣的疼。除了 TRPV1,Julius 和 Patapoutian 后来都各自通过化学物质薄荷醇,识别出受体分子 TRPM8——它会对薄荷醇和低温产生反应,比如说,能让你吃薄荷糖的时候感受到「透心凉」。TRPV1 的发现被视为一项重大突破,为其他温度受体的发现开辟了道路,也让人们意识到不同的温度能如何诱导神经信号。
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图4. 温度刺激原理
随着研究手段的进步,科学家使用TRPV1基因修饰小鼠进行了大量的后续研究。例如今年四月Nature Metabolism刊发了来自哈佛大学医学院Yu-Hua Tseng团队的研究成果。他们鉴定了一种新的产热脂肪细胞祖细胞——Trpv1阳性血管平滑肌细胞(Trpv1+ VSM)。为了检测Trpv1+细胞在体内的成脂潜能,作者使用Trpv1-Cre:mTmG小鼠模型进行了示踪研究。考虑到Trpv1在脂肪细胞中表达的缺失和GFP标记的稳定性,作者推断,如果存在GFP标记的脂肪细胞,那么这就意味着Trpv1+ VSM会分化为脂肪细胞。作者在Trpv1-Cre:mTmG小鼠BAT中检测到了GFP和tdTomato荧光,发现棕色脂肪组织(BAT)中存在GFP标记的脂肪细胞;在室温饲养的Trpv1-Cre:mTmG 的小鼠的BAT中也检测到了GFP和tdTomato荧光。同时,作者发现Trpv1+祖细胞还参与了白色脂肪组织(WAT)中的白色脂肪细胞的形成。以上结果表明,Trpv1+脂肪细胞祖细胞可以形成成熟的脂肪细胞。
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图5. TRPV1+祖细胞分化示意图
除了与温度相关的研究外,TRPV1在其他领域也有重要的作用。例如,今年发表在EMBO Reports的一篇文章指出TRPV1可以维持阿尔茨海默病中的小胶质细胞代谢。作者使用TRPV1-flox小鼠和Cx3Cr1-Cre小鼠进行了相关研究,对小鼠的冠状脑切片进行染色发现,特异性敲除了小胶质细胞上TRPV1受体的APP/PS1小鼠海马区域的Aβ积累显著增加(图5A和B),ELISA检测也显示了相似的结果。并且TRPV1敲除小鼠皮质的阳性神经元的丢失也更为明显(图5F),其自噬水平也显著下降(H、G)。
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图6. TRPV1缺失导致神经元加速丢失
目前,以TRPV1为代表的TRP家族蛋白已经在慢性疼痛、神经疾病、肿瘤、皮肤病、心血管疾病、尿路疾病、以及罕见病等领域得到了广泛的研究,并表现出了巨大的临床价值。

疼出来的诺奖

54 岁的 Patapoutian,是一位黎巴嫩裔的分子生物学家和神经学家,在 1986 年移居美国,目前是斯克里普斯研究所的教授。Patapoutian 几乎跟 Julius 同时开始研究人体触觉。除了温度受体,他决定寻找更有挑战性的机械力受体。
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图7. Ardem Patapoutian
Patapoutian教授团队首先筛选出一种能够在微针穿刺时释放电信号的细胞系。他们推测响应机械刺激的是一种离子通道,为了找到这个离子通道,Patapoutian教授对大量候选基因进行挨个激活,最终发现第 72 号基因的缺失时,细胞不会产生感应电流。他们将这个受体被称为命名 Piezo1——Piezo 在希腊语里是「压力」的意思,后来他们又发现了另一个相似受体 Piezo2。后续的研究进一步证实了两者都是离子通道,可以被细胞膜表面的压力给激活。
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图8. 机械刺激原理
Patapoutian教授的发现带来了一系列的论文发表工作,他们证明了Piezo2离子通道对触觉感受至关重要。另外,Piezo2对身体姿势和运动的感受也非常关键。在未来的工作中,Piezo1和Piezo2还被证明对生理过程有很大作用,包括血压、呼吸和膀胱控制等。
同样的,基因修饰动物模型大量应该用在了Piezo1和Piezo2的后续研究中。例如中国航天员科研训练中心李英贤团队和清华大学药学院肖百龙团队利用Piezo1敲除小鼠研究发现了Piezo1介导成骨细胞和骨细胞的机械力敏感性及其在负荷依赖性骨形成中的重要作用,相关研究成果发表在国际生物医学领域权威期刊eLife上。
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图9.  不同状态下Piezo1的表达与骨密度
对航天员骨密度恢复情况的跟踪研究发现,国际空间站上飞行6个月的航天员,大多数骨密度在三年后才恢复到飞行前水平。此外机械负荷的降低会引起骨代谢紊乱、骨微结构退化及骨量流失,从而导致骨质疏松的发生。研究发现小鼠在敲除Piezo1后,出现严重的骨发育缺陷,成骨细胞功能显著降低,这一症状与长期失重或卧床的症状类似,提示Piezo1可以作为治疗航天失重和长期卧床导致的骨丢失新的靶点。

南模相关动物模型

每一年的诺贝尔生理学或医学奖,往往能让我们更好的了解人体的一些奥秘,同时也带来一波新的科研浪潮。南模生物自主构建了Trpv1、Trpm8、Piezo1、Piezo2等基因的多种修饰小鼠,可用于相关后续研究。模型详细信息见下表:

基因
编号
简称
构建类型
状态
Trpv1 NM-CKO-200256 Trpv1-Flox 条件性敲除
活体
NM-KO-210259 Trpv1-KO(2) 敲除 胚胎冻存
NM-KI-200139 Trpv1-IRES-Cre 敲入,Cre工具鼠
活体
NR-KO-210135 Trpv1-KO(SD) 敲除 研发中
Trpm8 NM-KI-190126 Trpm8-2A-Cre 敲入,Cre工具鼠 胚胎冻存
NM-KI-190101 Trpm8-S966A 点突变
胚胎冻存
Piezo1 NM-KI-18048 Piezo1-CreERT2 敲入,Cre工具鼠 活体
NM-CKO-200275 Piezo1-Flox 条件性敲除
活体
Piezo2 NM-KO-190343 Piezo2-KO 敲除
胚胎冻存
NM-CKO-200127 Piezo2-Flox 条件性敲除 活体

南模生物深耕基因编辑领域,提供全方位模式生物服务,包括基因修饰成品模型供应、个性化模型定制、饲养繁育、表型分析、药效评价等,满足不同实验室需求。


Reference:

1、Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature 1997:389:816-824.

2、Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D. The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 1998:21:531-543.

3、Caterina MJ, Leffler A, Malmberg AB, Martin WJ, Trafton J, Petersen-Zeitz KR, Koltzenburg M, Basbaum AI, Julius D. Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science 2000:288:306-313

4、McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature 2002:416:52-58

5、Peier AM, Moqrich A, Hergarden AC, Reeve AJ, Andersson DA, Story GM, Earley TJ, Dragoni I, McIntyre P, Bevan S, Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell 2002:108:705-715

6、Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 2010:330: 55-60

7、Ranade SS, Woo SH, Dubin AE, Moshourab RA, Wetzel C, Petrus M, Mathur J, Bégay V, Coste B, Mainquist J, Wilson AJ, Francisco AG, Reddy K, Qiu Z, Wood JN, Lewin GR, Patapoutian A. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature 2014:516:121-125

8、Woo S-H, Lukacs V, de Nooij JC, Zaytseva D, Criddle CR, Francisco A, Jessell TM, Wilkinson KA, Patapoutian A. Piezo2 is the principal mechonotransduction channel for proprioception. Nature Neuroscience 2015:18:1756-1762

9、The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021, Retrieved October 4, 2021, from https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/press-medicineprize2021.pdf


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