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科普天地

触觉从何而来?

2014年12月05日 浏览量: 评论(0) 来源:生物360 作者:生物360 责任编辑:wlladmin
摘要:由斯克里普斯研究所(TSRI)的生物学家们领导的一个研究小组,鉴别出了介导哺乳动物触觉的“机械性刺激感受器”,由此解开了一个长期存在的神经科学谜题。
皮肤细胞和神经末梢中缺失Piezo2离子通道蛋白的小鼠会失去对寻常轻触几乎所有的敏感性,但保留对疼痛机械刺激大部分正常的敏感性。
TSRI教授、霍华德休斯医学研究所研究员Ardem Patapoutian说:“我们可以肯定地说,Piezo2是哺乳动物中主要的触觉传感器。”
Patapoutian和同事们将他们的研究发现报告在12月4日的《自然》(Nature)杂志上。
解读线索
在上世纪80年代,科学家们已经知道了成为哺乳动物视觉基础的主要蛋白质光感受器的特征和序列。自90年代早期起,他们一直在鉴别嗅觉和味觉受体。而介导触觉的机械性刺激感受器则更加难以捉摸。Patapoutian说:“它只在非常少的特化细胞中起作用,并且在这些细胞中也并不丰富。一开始我们并没有多少线索知道它会是什么样子。”
4年前,在先进基因组技术的帮助下,Patapoutian和实验室成员设法鉴别出了小鼠细胞中的两种机械激活离子通道蛋白Piezo1和Piezo2。他们证实,一种足以破坏细胞膜的物理力可以有效地将离子通道从关闭切换到开放状态,使得钠离子或其他的正电荷电解质内流。在感觉神经中,这可以触发电神经冲动——由此将物理力转换成一种神经信号。
在两个新发现的离子通道蛋白中,只有Piezo2在脊椎背根神经节触觉感觉神经元中显著表达,这些神经元将它们的神经过程延伸到了皮肤中。由于Piezo2有可能是哺乳动物触觉的传感器,这使得Patapoutian将焦点放在了它身上。
去年,Patapoutian和同事们报告称发现Piezo2充当了Merkel细胞的触觉传感器。这些特化细胞存在于皮肤的触觉敏感神经末梢,增强了小鼠的触觉。
一种触觉,一个离子通道
在新研究中,研究人员将这些研究结果扩展至触觉敏感性神经末梢。一开始,科学家们利用了博士后研究人员Seung-Hyun Woo在早先的Merkel细胞研究中培育的一种特殊小鼠,这种小鼠可以生成与荧光蛋白连接的Piezo2。这使得他们能够通过产生的荧光来验证,Piezo2在小鼠皮肤多毛和无毛区域广泛的“低阈机械性刺激感受器”神经末梢中表达。
接下来,他们删除了小鼠的Piezo2基因,观察这些动物是否仍然能够对触觉刺激产生正常反应。但缺失Piezo2的小鼠刚出生就全部死亡了。随后,论文的主要作者、博士后研究人员Sanjeev S. Ranade不得不完成了一项棘手的任务:开发出一种“条件性基因敲除”小鼠品系,从已经成熟的小鼠背根神经节感觉神经元和Merkel细胞中几乎完全地删除了Piezo2。
对来自这些小鼠的培养神经元进行电试验,Adrienne Dubin证实它们丧失了对感知普通轻触所需的机械刺激几乎所有的反应。合作者Gary Lewin与他在Max-Delbrück分子医学中心的实验室成员一起,在对来自小鼠的完整皮肤神经的一些特殊测试中看到了同样显著的机械敏感性丧失。
神经末梢和Merkel细胞中缺失Piezo2的小鼠与正常小鼠显示明显的行为差异。“在一系列的测试中,我们观察到它们对于普通轻触刺激的反应性显著下降,”Ranade说。
值得注意的是,这些对触觉不敏感的小鼠仍然对引起正常疼痛的皮肤刺激,如冷、热和拧捏有反应。人们认为诸如拧捏等疼痛性机械感觉是由高阈机械感受器介导,这需要更多的力来进行激活。“在Piezo2条件性基因敲除小鼠中,这些高阈机械感受器神经的功能看起来不受影响,”Patapoutian说。
这些结果表明,检测轻微的、无害触摸(人们通常将这视之为“触觉”)主要是由一组利用piezo2离子通道的神经末梢所介导。相比之下,较强的、引起疼痛的触觉感受似乎是由对力不那么敏感的一组具有自身离子通道蛋白的神经末梢所介导。
潜在应用
Patapoutian现正打算调查这两种机械敏感神经系统之间存在的“串扰”。众所周知,慢性疼痛疾病可以使轻微的触摸刺激变为痛苦。“这一研究发现现在使得我们能够测试触觉和疼痛中间的关系。”
他和同事们还在调查Piezo2在表达它的身体其他部位,包括肺脏中所起的作用。
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