科学家发现主要的蛋白质触觉传感器

斯克里普斯研究所(TSRI)的生物学家领导的一个团队，通过识别调节哺乳动物触觉的“机械感受器”蛋白质，解决了神经科学中一个长期存在的谜团。

在皮肤细胞和神经末梢中缺乏Piezo2离子通道蛋白的小鼠几乎失去了对普通物质的所有敏感性轻触但对疼痛的机械刺激仍保持基本正常的敏感性。

“我们可以肯定地说，Piezo2是哺乳动物的主要触摸传感器，”TSRI教授、霍华德·休斯医学研究所研究员Ardem Patapoutian说。

Patapoutian和他的同事在2014年12月4日的《美国科学》杂志上报告了他们的发现自然．

解开线索

到20世纪80年代，科学家们已经知道了构成哺乳动物视觉基础的主要蛋白质感光器的身份和序列。自20世纪90年代初以来，他们一直在识别嗅觉和味觉感受器。但是，调节触觉的机械感受器蛋白却更加难以捉摸。“它只在极少数特殊的细胞中起作用，而且在这些细胞中并不丰富，”帕塔普田说，“一开始，我们对它的样子没有太多线索。”

四年前，在先进基因组学技术的帮助下，Patapoutian和他的实验室成员能够在小鼠细胞中识别出两种机械激活的离子通道蛋白Piezo1和Piezo2。物理力量足以扭曲嵌入其中一个离子通道的细胞膜，可以有效地将离子通道从关闭切换到打开，使钠或其他带正电的电解质向内流动。在感觉神经中，这可以触发神经电脉冲，从而将物理力转化为神经信号。

在这两种新发现的离子通道蛋白中，只有Piezo2在以脊柱背根神经节为基础并将其神经过程延伸到皮肤的触觉神经元中显著表达。这使得Patapoutian将其作为哺乳动物触觉的可能传感器来关注。

去年，Patapoutian和同事报告说，Piezo2在默克尔细胞上作为触摸传感器工作，默克尔细胞位于皮肤的触摸敏感神经末梢，并增强人体的触觉老鼠．

一种触摸的离子通道

在这项新研究中，研究人员将这些发现扩展到触觉神经末梢本身。它们的形状通常用于检测不同类型和方向的力，为了获得额外的灵敏度，可能会连接到其他力响应结构，如默克尔细胞或毛囊。

首先，科学家们使用了特殊的小鼠，这些小鼠是由博士后禹承铉(Seung-Hyun Woo)领导的早期默克尔细胞研究中培育的，它们产生与荧光蛋白相连接的Piezo2。这使他们能够通过产生的荧光验证，Piezo2在广泛的“低阈值机械感受器”神经末梢中表达，这些神经末梢嵌入在小鼠皮肤的有毛和无毛区域。

下一步是删除小鼠的Piezo2基因，观察动物是否对触摸刺激仍有正常反应。但是没有Piezo2基因的小鼠都在出生时死亡。因此，该论文的第一作者，博士后Sanjeev S. Ranade必须完成开发“条件敲除”小鼠系的棘手任务，其中Piezo2基因可以从已经成熟的小鼠中几乎完全删除，并且只能从它们的背根神经节感觉神经元和默克尔细胞中删除。

由工作人员科学家阿德里安娜·杜宾(Adrienne Dubin)对这些培养自小鼠的神经元进行的电测试显示，它们几乎失去了对神经元的所有反应能力机械刺激这对于感知普通的轻触是必需的。合作者加里·卢因(Gary Lewin)和他在柏林分子医学Max-Delbrück中心的实验室成员在对小鼠完整皮肤神经的特殊测试中发现了同样严重的机械敏感性丧失。

缺乏Piezo2的小鼠神经末梢默克尔细胞也表现出与正常小鼠明显的行为差异。Ranade说:“在一系列测试中，我们观察到他们对普通轻触刺激的反应性显著降低。”

值得注意的是，这些对触摸不敏感的小鼠对皮肤施加的刺激(如热、冷和捏)仍然有反应，这些刺激通常是疼痛的。疼痛的机械感觉，如捏被认为是由高阈值机械感受器介导的神经终端这需要更大的力量才能激活。“在Piezo2条件敲除小鼠中，这些高阈值机械感受器神经的功能似乎没有受到影响，”Patapoutian说。

这一发现表明，察觉轻微的、无害的接触，即我们通常认为的“触觉-主要由一组使用压电离子通道的神经末梢介导。相比之下，更强烈的、引起疼痛的触摸感觉似乎是由一组对力不那么敏感的神经末梢介导的，这些神经末梢带有它们自己的离子通道蛋白质，这一点尚未被发现。

潜在的应用

Patapoutian现在计划研究这两个机械敏感分子之间存在多少“串扰”神经系统。众所周知，慢性疼痛状况会使轻微的触摸刺激也感到疼痛。“这一发现现在允许我们测试两者之间的关系触摸还有痛苦，”他说。

他和他的同事们还在研究Piezo2在身体其他部位的作用，包括肺。

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