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刚刚,诺贝尔生理学或医学奖颁发给分子生物学,温度和触觉感受器“突出重围”!

发布人:深科技时间:2021-10-06来源:工程师

北京时间10月4日下午5点30分,2021诺贝尔生理学或医学奖评选结果揭晓,今年的诺贝尔生理学(医学)奖授予大卫·朱利叶斯(David Julius)和阿德姆·帕塔波蒂安 (Ardem Patapoutian)。他们发现了生物感知热、冷和机械力的分子基础,揭开了大自然的秘密之一。这项发现对我们感知、诠释并与内外部环境互动的能力至关重要。

我们感知热、冷和触觉的能力对于生存至关重要,并且是我们与周围世界互动的基础。在日常生活中,我们认为这些感觉是理所当然的,但是神经冲动是如何启动的,并可以感知温度和压力的?今年的诺贝尔奖获得者已经解决了这个问题。


这项开创性发现解释了我们的神经系统中如何感知热、冷和触摸,解析的分子机制对许多生理过程和疾病条件都至关重要的,例如慢性病等。


大卫·朱利叶斯(David Julius)利用辣椒素(一种来自辣椒的刺激性化合物,可引起灼热感)来识别皮肤神经末梢中对热有反应的传感器。


阿德姆·帕塔波蒂安 (Ardem Patapoutian)使用压敏细胞发现了一类新型传感器,可以对皮肤和内部器官中的机械刺激做出反应。


这些突破性发现启动了密集的研究活动,导致我们对神经系统如何感知热、冷和机械刺激的理解迅速增加。获奖者在我们对感官与环境之间复杂相互作用的理解中发现了关键的缺失环节。


人类面临的一大谜团是我们如何感知环境的问题。几千年来,我们感官的潜在机制激发了我们的好奇心,例如眼睛如何检测光线,声波如何影响我们的内耳,以及不同的化合物如何与我们鼻子和嘴巴中的受体相互作用产生气味和味道. 我们还有其他方式来感知我们周围的世界。


想象一下在炎热的夏日赤脚走过草坪。您可以感受到太阳的热量、风的抚摸以及脚下的每一片草叶。这些温度、触觉和运动的印象对于我们适应不断变化的环境至关重要。


在 17 世纪,哲学家勒内·笛卡尔(René Descartes)设想了将皮肤的不同部分与大脑连接起来的线。通过这种方式,接触明火的脚会向大脑发送机械信号。后来的发现揭示了记录我们环境变化的特殊感觉神经元的存在。约瑟夫·厄兰格和赫伯特·加瑟因发现不同类型的感觉神经纤维对不同的刺激做出反应,例如对疼痛和非疼痛触摸的反应,获得了 1944 年的诺贝尔生理学或医学奖。


从那时起,已经证明神经细胞高度专门用于检测和转导不同类型的刺激,从而可以对我们周围的环境进行细微的感知;例如,我们通过指尖感受表面纹理差异的能力,或者我们辨别令人愉悦的温暖和痛苦的热的能力。


大卫·朱利叶斯 (David Julius)




大卫·朱利叶斯(David Julius)是美国生理学家,美国科学院院士。现任加利福尼亚大学旧金山分校生理学系教授兼系主任,曾于2010年获邵逸夫生命科学及医学奖(The Shaw Prize)。1955年11月4日,朱利叶斯出生于美国纽约,1977年在麻省理工学院获得本科学位,随后在1984年从加州大学伯克利分校获得博士学位,1989年在哥伦比亚大学完成博士后研究。


朱利叶斯2004年入选美国科学院院士,2010年因“皮肤感知疼痛刺激和温度并产生疼痛超敏反应的分子机制的开创性发现”获邵逸夫奖,同年也获得阿斯图里亚斯亲王奖科学技术奖。2017年获加拿大盖尔德纳国际奖。朱利叶斯的研究工作主要集中在了解感官系统如何让我们感知我们的世界。其中一个代表性方面是利用天然物质的力量来阐明触觉和痛觉的分子机制。例如,辣椒中的主要辛辣成分辣椒素如何引起灼痛,以及薄荷叶中的清凉剂薄荷醇如何唤起冰冷的清凉感。


使用这些和其他****物作为****理探针,他带领团队在感觉神经纤维上发现了被热、冷或化学刺激物激活的离子通道,提供了对热感觉、疼痛和瘙痒过程的分子级洞察。在遗传、电生理、结构和行为方法的帮助下,他的小组正在寻找如何调节这些离子通道以应对肿瘤生长、感染或产生炎症和疼痛超敏反应等形式的损伤。这些基础科学研究有助于为新型镇痛****物的发现和开发奠定基础。


在 1990 年代后期,美国旧金山加利福尼亚大学的大卫·朱利叶斯(David Julius)通过分析化学化合物辣椒素如何引起我们接触辣椒时的灼烧感,看到了重大进步的可能性。已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神经细胞,但这种化学物质如何真正发挥这种功能是一个未解之谜。


大卫·朱利叶斯(David Julius)和他的同事创建了一个包含数百万个 DNA 片段的库,这些片段对应于感觉神经元中表达的基因,这些基因可以对疼痛、热和触摸做出反应。大卫·朱利叶斯(David Julius)及其同事假设该文库将包含编码能够与辣椒素反应的蛋白质的 DNA 片段。他们在通常不与辣椒素反应的培养细胞中表达了来自该集合的单个基因。经过艰苦的搜索,确定了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因。


这意味着辣椒素感应基因被发现!进一步的实验表明,鉴定出的基因编码了一种新的离子通道蛋白,这种新发现的辣椒素受体后来被命名为 TRPV1。当大卫·朱利叶斯(David Julius)研究蛋白质对热的反应能力时,他意识到他发现了一种热敏受体,它在感觉疼痛的温度下被激活。TRPV1 的发现是一项重大突破,为揭开其他温度感应受体开辟了道路。David Julius 和 Ardem Patapoutian 各自独立地使用化学物质薄荷醇来识别 TRPM8,这是一种被证明会被寒冷激活的受体。


与 TRPV1 和 TRPM8 相关的其他离子通道被确定并被一系列不同的温度激活。许多实验室开展了研究项目,通过使用缺乏这些新发现基因的基因操作小鼠来研究这些通道在热感觉中的作用。大卫·朱利叶斯(David Julius)对 TRPV1 的发现是一项突破,使我们能够了解温度差异如何在神经系统中诱发电信号。虽然温度感觉的机制正在展开,但机械刺激如何转化为我们的触觉和压力感仍不清楚。


阿德姆·帕塔波蒂安 (Ardem Patapoutian)


阿德姆·帕塔波蒂安 (Ardem Patapoutian)于1967年出生生于黎巴嫩贝鲁特,是一名亚美尼亚裔美国籍分子生物学家和神经科学家,目前是就职于加利福尼亚研究所。他于2021年获得诺贝尔医学奖。在1986年移民到美国之前,帕塔普蒂安曾就读于贝鲁特美国大学。他于1990年在加州大学洛杉矶分校获得细胞和发育生物学学士学位,并于1996年在加州理工学院获得生物学博士学位。在博士后研究期间,帕塔普蒂安在加州大学旧金山分校与路易斯·F·赖哈特一起工作。2000年,他成为了斯克里普斯研究所的助理教授。2000年至2014年间,他还在诺华研究基金会兼职担任了一个研究职位。


自2014年以来,帕塔普蒂安一直是霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的研究员。帕塔普提安的主要研究方向是传感器的信号转导。在对于那些由于温度、机械力或细胞体积增加而被激活的新离子通道和受体的识别方面,帕塔普提安做出了重要贡献。


帕塔普蒂安和他的同事证明,这些被激活的新离子通道,在对于温度的感觉、触觉、本体感觉、疼痛感和血管张力的调节方面,发挥着十分重要的作用。在他最近的研究工作中,他使用功能基因组学技术,来对那些机械敏感的离子通道(机械转导)进行识别。


根据谷歌学术的数据,截至2020年5月,帕塔普蒂安的h指数为68。帕塔普蒂安在2016年成为了美国科学促进会的会员,并于2017年成为美国国家科学院成员,在2020年,他成为了美国艺术与科学院成员。此外,帕塔普蒂安在2017年获得了W·奥尔登·斯宾塞奖,在2019年获得了罗森斯蒂尔奖,并在2020年获得了Kavli神经科学奖和BBVA基金会生物学/生物医学知识前沿奖。


阿德姆·帕塔波蒂安 (Ardem Patapoutian)和他的合作者首先确定了一种细胞系,当用微量移液管戳单个细胞时,该细胞系会发出可测量的电信号。假设被机械力激活的受体是离子通道,在下一步中鉴定了 72 个编码可能受体的候选基因。这些基因被一一灭活,以发现负责研究细胞机械敏感性的基因。


经过艰苦的搜索,阿德姆·帕塔波蒂安 (Ardem Patapoutian)和他的同事们成功地确定了一个基因,该基因的沉默使细胞对微量移液器的戳刺不敏感。一种全新的、完全未知的机械敏感离子通道已被发现,并以希腊语中表示压力的词 (í; píesi) 命名为 Piezo1。


由于它与 Piezo1 的相似性,第二个基因被发现并命名为 Piezo2。阿德姆·帕塔波蒂安 (Ardem Patapoutian)的突破导致他和其他团队发表了一系列论文,证明 Piezo2 离子通道对触觉至关重要。此外,Piezo2 被证明在至关重要的身体位置和运动感知中发挥关键作用,称为本体感觉。在进一步的工作中,Piezo1 和 Piezo2 通道已被证明可以调节其他重要的生理过程,包括血压、呼吸和膀胱控制。


诺贝尔生理学或医学奖全盘点


在诺贝尔奖体系中,有一部分是颁布给那些在生理学界或医学界有杰出贡献的科研工作者,这就是诺贝尔生理学或医学奖。历届获奖人中不乏改变医学世界的牛人,例如发明青霉素的弗莱明,还有我国杰出科研工作者、发现青蒿素的屠呦呦教授。



第一届诺贝尔生理学或医学奖的颁布是在1901年,现在就让我们来盘点下1901年到2020年间环绕诺贝尔生理学或医学奖发生的事情吧。



◆ 诺贝尔生理学或医学奖的数量

从 1901 年开始计算,一共有 111 届诺贝尔生理学或医学奖被颁发。其中有九年没有颁发相关奖项:1915、1916、1917、1918、1921、1925、1940、1941 以及 1942年。

那么为什么这些年都没有颁发诺贝尔生理学或医学奖呢?在诺贝尔基金会章程上写道:如果在考虑范围内的所有科学发现没有足够的重要性,奖金将被保存至下一年。如果第二年,仍然不能颁发奖项,那么奖金将纳入诺贝尔基金的受限资金中。而在第一次和第二次世界大战中,诺贝尔奖没有颁发。



◆ 共同分享和独享的诺贝尔生理学或医学奖

为什么诺奖可以共享?原因就写在诺贝尔基金会章程上:如果两项科学发现都有资格获得诺贝尔奖,那么诺贝尔奖的奖金可以平均分为两等分。如果两位或者两位以上的科学家参与了一项能获奖的科学发现,那么诺贝尔奖可以同时颁发给他们。但是,一届诺贝尔奖不能分给三位以上的获奖者。




◆ 获奖者的数量

据统计,1901年至2020年间,前后共有227位诺贝尔生理学或医学奖获奖者。



最年轻的获奖者:迄今为止,该奖项最年轻的获奖者是弗雷德里克·G·班廷(上图),他和他的助手于 1923 年因成功分离胰岛素而得奖,获奖的时候年仅 32 岁。



最年长的获奖者:佩顿·劳斯,他发现了病毒在某些癌症中所扮演的角色,因而获得 1966 年的诺贝尔生理学或医学奖,获奖时已经87岁了。

◆ 女性获奖者

全部 219 位获奖者中,只有 12 名是女性。而在这 12 人中,只有巴巴拉·麦克林托克(如下图)是独享诺奖,其余均和他人分享当年的诺奖。



这12人分别是:
1947 - 格蒂·特蕾莎·科里
1977 - 罗莎琳·萨斯曼·耶洛
1983 - 巴巴拉·麦克林托克
1986 - 丽塔·列维-蒙塔尔奇尼
1988 - 格特鲁德·B·埃利恩
1995 - 克里斯汀·纽斯林-沃尔哈德
2004 - 琳达·巴克
2008 - 弗朗索瓦丝·巴尔-西诺西
2009 - 伊丽莎白·布莱克本以及卡罗尔·格雷德
2014 - 梅·布莱特·莫索尔
2015 – 屠呦呦

◆ 多次获奖者

迄今为止,还没有人能够获得两次或两次以上的诺贝尔生理学或医学奖。

◆ 死后才获得诺贝尔生理学或医学奖的获奖者

历届诺贝尔生理学或医学奖得主中,没有人是在死后才获奖的。从1974年开始,诺贝尔基金会章程已经明确表示,诺贝尔奖不能颁布给已经过世的科学工作者,而在宣布获奖后获奖人才去世的情况不在其列。

在1974年之前,诺贝尔奖颁发给已故科学工作者的案例也只有两例:1961年诺贝尔和平奖得主达格·哈马舍尔德(Dag Hammarskjöld)以及1931年诺贝尔文学奖得主埃利克·阿克塞尔·卡尔费尔德(Erik AxelKarlfeldt)。



而在 2011 年诺贝尔生理学或医学奖的一份官方声明中表示,一位诺贝尔生理学或医学奖得主拉尔夫·斯坦曼(Ralph Steinman,如上图)在获奖前三天已经去世。但是,诺贝尔生理学或医学奖评审委员会还是决定将奖项颁发给他,因为在瑞典卡罗林斯卡研究所召开的诺贝尔大会上,委员会颁布奖项的时候并不知道斯坦曼教授已经离世。

◆ 诺贝尔生理学或医学奖获奖者的家庭树

科学伉俪:



卡尔·科里和格蒂·科里夫妇(Gerty Cori and Carl Cori,如上图)因发现糖原的催化转化原因共同获得1947年的诺贝尔生理学或医学奖;



梅·布莱特·莫索尔和爱德华·莫索尔夫妇(May-Britt Moser and Edvard I. Moser)因发现构成大脑定位系统的细胞,共同获得 2014 年的诺贝尔生理学或医学奖。

父子兵:



汉斯·冯·奥伊勒-切尔平(Hans von Euler-Chelpin,化学奖)和乌尔夫·冯·奥伊勒-切尔平(Ulf vonEuler,医学奖);



阿瑟·科恩伯格(ArthurKornberg,医学奖)和罗杰·科恩伯格(Roger D. Kornberg,化学奖);

龙兄虎弟:



简·丁伯根(Jan Tinbergen,经济学奖)和尼克拉斯·丁伯根(Nikolaas Tinbergen,医学奖);

◆ 强制放弃诺贝尔生理学或医学奖



只有一届诺贝尔生理学或医学奖被获奖者所在国当权者强制要求放弃领奖。二战期间,阿道夫·希特勒驳回三位德国科学家接受诺贝尔奖的请求,其中就有 1939 年的诺贝尔生理学或医学奖得主格哈德·多马克(如上图)。

另外两位科学家分别是 1938 年诺贝尔化学奖得主理查德·库恩以及 1939 年诺贝尔化学奖得主阿道夫·布特南特。不过,他们之后还是接收了诺贝尔奖证书和奖章,没有奖金。

◆ 获奖者以及他们的专业领域

获奖者涉足领域最普遍的是基因科学,共有 48 位科学家获奖。

◆ 上届诺贝尔生理学或医学奖得主

哈维·詹姆斯·奥尔特(Harvey James Alter)
出生:1935年9月12日,美国纽约
获奖时所属机构:美国国立卫生研究院(NIH)
获奖原因:“发现丙型肝炎病毒。”
奖金份额:1/3



迈克尔·霍顿(Michael Houghton)
出生:1949 年,英国
获奖时所属机构:加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学
获奖原因:“发现丙型肝炎病毒。”
奖金份额:1/3



查尔斯·M·赖斯(Charles M. Rice)
出生:1952 年 8 月 25 日,美国加利福尼亚州萨克拉门托
获奖时所属机构:美国纽约州纽约市洛克菲勒大学
获奖原因:“发现丙型肝炎病毒。”
奖金份额:1/3




◆ 诺贝尔生理学或医学奖的提名

在提名数据库中,你可以发现很多有意思的事情,比如说,奥地利神经学者西格蒙德·佛洛伊德(1856-1939,如下图),同时也是精神分析学界的奠基者,曾经先后32次被提名诺贝尔生理学或医学奖,却从来没有获奖。



1929年,一位专家进入了诺贝尔生理学或医学奖评审委员会中,他表示佛洛伊德的工作没有进一步研讨的必要,因为他觉得这样的工作没有科学价值。也许佛洛伊德的工作就是这样不被诺贝尔生理学或医学奖评审委员会所接受。在1936年,佛洛伊德甚至被提名诺贝尔文学奖,提名者是他的相识,诺奖得主罗曼·罗兰。

诺贝尔奖的提名数据被尘封了 50 年之久,才展现在世人面前。

◆ 诺贝尔生理学或医学奖奖章


诺贝尔生理学或医学奖奖章是由瑞典雕塑和雕刻艺术家埃里克·林德伯格设计,图案描绘了一位医学天才正伸出手用碗收集从石缝中流出的水,尝试给怀中罹患疾病的少女解渴的画面。

◆ 诺贝尔生理学或医学奖证书

诺贝尔生理学或医学奖证书十分精美,可以说每一本证书都是一件艺术品。它们都是由瑞典或者挪威最顶尖的艺术家和书法家制作而成。

◆ 诺贝尔生理学或医学奖奖金


阿尔弗雷德·诺贝尔用他大部分的资产——超过3100万瑞典克朗(折合现在17亿200万瑞典克朗)——成立一个基金会,将基金所产生的利息每年奖给在前一年中为人类作出杰出贡献的人,以表彰那些对社会做出卓越贡献,或做出杰出研究、发明以及实验的人士。

◆单词“Laureates(获奖者)”的来源

单词“Laureate(获奖者)”本义是戴着桂冠的人。在希腊神学中,阿波罗就是这样一个戴着桂冠出场的人。桂冠则是由月桂树(拉丁语:Laurusnobilis)的枝条和树叶编织成的圆形王冠。在古希腊,桂冠一般授予体育竞技的胜利者或是文学领域的佼佼者,是荣誉的象征。

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参考:

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_campaign=2021_med_announcement


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关键词: 分子生物

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