Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2021: Wissenschaftliche Erklärung des Wärme-, Kälte- und Tastsinns des Körpers

Geschrieben von | Fanpu

Am 4. Oktober 2021 um 11:30 Uhr Ortszeit in Schweden (17:30 Uhr Pekinger Zeit am 4. Oktober) gab das Nobelpreiskomitee bekannt, dass der Preis für Physiologie oder Medizin 2021 an den amerikanischen Physiologen David Julies und den armenisch-amerikanischen Neurowissenschaftler Ardem Patapoutian in Anerkennung ihrer Entdeckung von Rezeptoren für Temperatur und Berührung verliehen wird.

In unserem täglichen Leben halten wir unsere Empfindungen von Wärme, Kälte und Berührung für selbstverständlich. Doch für diese Phänomene, die für das Überleben der Menschheit so entscheidend sind, gibt es keine wissenschaftliche Erklärung. Wie nimmt das Nervensystem unsere Umwelt wahr und interpretiert sie? Wie werden Temperatur und mechanische Reize im Nervensystem in elektrische Impulse umgewandelt? Wie werden Nervenimpulse zur Temperatur- und Druckwahrnehmung ausgelöst? Die diesjährigen Nobelpreisträger David Julies und Ardem Patapoutian haben Antworten auf diese grundlegenden Fragen gegeben.

David Julies verwendete Capsaicin, um Sensoren in den Nervenenden der Haut zu identifizieren, die auf Hitze reagieren. Ardem Patapoutian entdeckte mithilfe druckempfindlicher Zellen eine neue Klasse von Rezeptoren, die auf mechanische Reize in der Haut und den inneren Organen reagieren. Diese bahnbrechenden Entdeckungen haben eine Fülle neuer Forschungsergebnisse ermöglicht und unser Verständnis davon, wie unser Nervensystem Hitze, Kälte und mechanische Reize wahrnimmt, rasch erweitert. Die beiden Preisträger identifizierten ein entscheidendes fehlendes Bindeglied zum Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen unseren Sinnen und unserer Umwelt.

Identifizierung von Temperaturrezeptoren durch Capsaicin

Seit Ende der 1990er Jahre ist bekannt, dass Capsaicin Nervenzellen aktivieren und ein Schmerzempfinden auslösen kann. Doch wie genau bewirkt diese Chemikalie dies? David Julies sieht Hoffnung in der Lösung eines wichtigen Rätsels. Unter seiner Leitung erstellte ein Team eine Datenbank mit Millionen von DNA-Fragmenten, die den in sensorischen Neuronen exprimierten Genen entsprechen, die auf Schmerz, Hitze und Berührung reagieren. Sie dachten, die Bibliothek würde ein DNA-Fragment enthalten, das ein Protein kodiert, das auf Capsaicin reagiert.

Sie exprimierten einzelne Gene aus der Bibliothek in kultivierten Zellen, die normalerweise nicht auf Capsaicin reagieren. Nach einer sorgfältigen Suche wurde ein einzelnes Gen identifiziert, das Zellen für Capsaicin empfindlich machen konnte – das Capsaicin-Sensing-Gen war gefunden! Weitere Experimente zeigten, dass dieses Gen ein neues Ionenkanalprotein kodierte. Der neu entdeckte Capsaicin-Rezeptor wurde später TRPV1 genannt. Julies erkannte, dass er einen Wärmerezeptor gefunden hatte, der aktiviert wurde, wenn die Temperatur ein schmerzhaftes Niveau erreichte.

Wir verstehen jetzt, wie unterschiedliche Temperaturen elektrische Signale im Nervensystem auslösen.

Die Entdeckung von TRPV1 war ein großer Durchbruch und ebnete den Weg für die Entdeckung weiterer temperaturempfindlicher Rezeptoren. David Julius und Ardem Patapoutian verwendeten unabhängig voneinander Menthol, um TRPM8 zu identifizieren, einen Rezeptor, der durch Kälte aktiviert wird. Es wurden weitere mit TRPV1 und TRPM8 in Zusammenhang stehende Ionenkanäle entdeckt, die durch verschiedene Temperaturen aktiviert werden.

Echter Druck

Was die Art und Weise betrifft, wie wir „Druck“ empfinden, haben Forscher bei Wirbeltieren keinen neuronalen Mechanismus gefunden, bei Bakterien jedoch mechanische Rezeptoren entdeckt. Ardem Patapoutian vom Scripps Research Institute hat an der Studie mitgewirkt. Er und seine Mitarbeiter identifizierten erstmals eine Zelllinie, die elektrische Signale aussendet, wenn die Zellen mit den Mikronadeln eingestochen werden. Da sie vermuteten, dass es sich bei dem durch eine mechanische äußere Kraft stimulierten Rezeptor um einen Ionenkanal handelte, filterten sie 72 Kandidatengene heraus, die den Rezeptor kodieren. In ähnlicher Weise konnte Ardem Patapoutian nach viel Arbeit schließlich ein einzelnes Gen identifizieren, das, wenn es stummgeschaltet wurde, die Zellen unempfindlich gegenüber dem Stich mit der Mikronadel machte.

Durch die Kultivierung mechanisch druckempfindlicher Zellen wurde ein neuer Ionenkanal entdeckt, der durch mechanische Kraft aktiviert werden kann und Piezo1 genannt wurde. „Piezo“ bedeutet auf Griechisch „Druck“. Dann entdeckten sie ein weiteres Gen, Piezo2, das in sensorischen Neuronen in hohen Konzentrationen exprimiert wird. Sie stellten fest, dass es sich auch hierbei um einen Ionenkanal handelte, der durch Druck auf die Zellmembranoberfläche aktiviert werden konnte. Nachfolgende Studien haben ergeben, dass Piezo2 auch für die Erfassung der Körperhaltung und -bewegung von entscheidender Bedeutung ist. Es wurde auch gezeigt, dass Piezo1 und Piezo2 eine wichtige Rolle bei physiologischen Prozessen spielen, einschließlich Blutdruck, Atmung und Blasenkontrolle.

In der offiziellen Pressemitteilung zum Nobelpreis hieß es: „Es ergibt alles einen Sinn!“ um die Arbeit von David Julies und Ardem Patapoutian zu beschreiben. Ihre bahnbrechenden Entdeckungen der TRPV1-, TRPM8- und Piezo-Kanäle haben es uns ermöglicht zu verstehen, wie Hitze, Kälte und mechanische Kräfte Nervenimpulse auslösen und uns so ermöglichen, die Welt um uns herum wahrzunehmen und uns an sie anzupassen. Die umfangreichen Forschungsarbeiten, die aus den Entdeckungen dieser beiden Wissenschaftler hervorgegangen sind, konzentrieren sich auf die Aufklärung der Funktionen dieser Ionenkanäle in verschiedenen physiologischen Prozessen und helfen uns, Behandlungen für eine Reihe von Krankheiten, einschließlich chronischer Schmerzen, zu entwickeln.

David Julius ist ein amerikanischer Physiologe und Professor an der University of California, San Francisco.

Julius wurde 1955 geboren. Er schloss 1977 sein Studium am MIT ab und erhielt seinen Ph.D. von der University of California, Berkeley im Jahr 1984 und schloss 1989 ein Postdoc-Programm an der Columbia University ab.

Julius wurde im Jahr 2000 mit dem ersten Perl-UNC Neuroscience Award und 2010 mit dem Shaw Prize ausgezeichnet. Breakthrough Prize 2020 in Biowissenschaften, Kavli-Preis 2020 in Neurowissenschaften (mit Ardem Patapoutian).

Ardem Patapoutian ist ein armenisch-amerikanischer Molekularbiologe und Neurowissenschaftler.

Patapoutian wurde 1967 in Beirut (Libanon) geboren und wanderte 1986 in die USA aus. Er erwarb 1990 seinen Bachelor-Abschluss in Zell- und Entwicklungsbiologie an der University of California in Los Angeles und promovierte 1996 in Biologie am California Institute of Technology. Während seiner Postdoc-Forschung arbeitete er mit Louis F. Reichardt an der University of California in San Francisco. Im Jahr 2000 wurde Patapoutian Assistenzprofessor am Scripps Research Institute und ist seit 2014 Forscher am Howard Hughes Medical Institute (HHMI).

Patapoutian wurde 2016 zum Fellow der American Association for the Advancement of Science, 2017 zum Fellow der National Academy of Sciences und 2020 zum Fellow der American Academy of Arts and Sciences gewählt. Darüber hinaus erhielt Patapoutian 2017 den W. Alden Spencer Award, 2019 den Rosenstiel-Preis, 2020 den Kavli-Preis für Neurowissenschaften und den BBVA Foundation Frontiers of Knowledge in Biology/Biomedicine Award.