Нобелевская неделя 2021. Ардем Патапутян: «Коснуться, чтобы поверить»

«Я здесь, чтобы сказать вам, что ваша способность чувствовать прикосновения — восхитительна». Лекция лауреата Нобелевской премии по физиологии или медицине 2021 года. 07.12.2021

Credit:
Скриншот канала Нобелевского комитета

Нобелевская лекция Ардема Патапутяна, американского ученого родом из Ливана, была посвящена истории открытия «белков прикосновения» PIEZO1 и PIEZO2 и обзору функций этих механорецепторов в организме. Название лекции — «Как вы чувствуете? Молекулы, которые реагируют на прикосновения».

В коротком лирическом вступлении, предшествовавшем основной научной части, Ардем Патапутян напомнил слушателям о значении осязания в нашей жизни. Благодаря осязанию мы способны ощущать касание мельчайших частиц, испытывать радость от объятий и прикосновений близких. Те же рецепторы позволяют нам совершать сложные движения, требующие точного контроля положения тела в пространстве.

Чтобы проиллюстрировать важную роль осязания, Патапутян напомнил историю, облетевшую все мировые СМИ.

Pete Souza - White House Flickr Account, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/

«Я не знаю другого изображения, которое передает силу прикосновений лучше, чем эта фотография. Маленький темнокожий мальчик, посещая Белый дом, сказал президенту Обаме, что его волосы, кажется, похожи на президентские. Обама наклонил голову к мальчику и спросил: почему бы тебе не потрогать их, чтобы составить собственное мнение? Конечно, в данном случае мы говорим не столько об ощущении от структуры волос, сколько о личном, эмоциональном значении прикосновения, сближающего людей».

Мы часто говорим «увидеть, чтобы поверить», сказал нобелевский лауреат, но в данном случае это было «коснуться, чтобы поверить».

Тем не менее долгое время механорецепция оставалась «в тени» других сенсорных систем нашего организма - в первую очередь зрения и вкуса, рецепторы которых были описаны на несколько десятилетий раньше.

Исследования механорецепторов берут свое начало в 1979 году, когда Хадспет показал, что механическое раздражение слуховых клеток приводит к активации ионных каналов, причем это происходит настолько быстро, что практически исключает существование каких-то молекулярных посредников в клетке и дает основание полагать, что ионные каналы активируются механическим воздействием напрямую.

Ионные каналы — это особая разновидность мембранных белков, способных при активации избирательно пропускать ионы, для которых липидная мембрана клетки в норме непроницаема. То, что эти белки играют важнейшую роль в поддержании ионного баланса клеток, активируясь «по приказу» различных молекул-посредников, было известно давно, но до работ Хадспета никто не подозревал, что эти белки сами по себе могут являться рецепторами.

Позднее группа Фредерика Сакса показала, что такие механорецепторы есть во многих клетках и тканях. В последующие десятилетия открыли несколько таких рецепторов у беспозвоночных (червей и дрозофил), однако отыскать их аналоги среди белков млекопитающих не удавалось.

Почему эта задача оказалась такой сложной? Нобелиат объяснил, что в отличие от «канонических» рецепторов, которые в большинстве своем являются высококонсервативными GPCR-белками, ионные каналы имеют достаточно низкую гомологию. Именно поэтому изучение механорецепции в модельных беспозвоночных организмах не помогло определить, какой канал отвечает за механорецепцию у позвоночных.

К 2010 году Ардем Патапутян пришел к выводу, что без прямого эксперимента на клетках млекопитающих не обойтись. Эксперимент проводил молодой ученый Бертран Кост. Сперва из множества клеточных линий исследователи выбрали те, что были наиболее чувствительны к механическому воздействию. Это оказалась линия Neurо2А.

Затем необходимо было определить круг наиболее вероятных кандидатов в механорецепторы. Их ученые искали среди белков, которые, во-первых, экспрессировались в клетках Neurо2А на достаточно высоком уровне, а во вторых, имели мембранный домен. (В мембранных белках есть характерные последовательности, обогащенные гидрофобными аминокислотами. Эти последовательности легко распознаются современными биоинформатическими программами.) Таких кандидатов набралось около 300. После этого Бертран начал серию экспериментов: последовательно по одному «выключал» в клетках белки-кандидаты и смотрел, как это скажется на чувствительности клеток к механическому воздействию. На эту работу ушло много времени.

«После почти года отрицательных результатов он наконец нашел кандидата номер 72, который сильно влиял на активацию ионного потока в результате механического воздействия на клетку. Этого кандидата назвали fam38A, но вскоре переименовали в PIEZO1 от греческого πιέζω, что значит “давление”».

Экспрессия гена этого белка в самых разных клетках придавала им механическую чувствительность.

Что мы знаем об этом удивительном белке? Прежде всего, он огромный — около 2500 аминокислот, формирующих 38 трансмембранных участков и петли между ними. Как показывают результаты моделирования и криомикроскопии, PIEZO1 образует комплекс из трех белков, чем-то похожих на вертолетные лопасти. При давлении на мембрану эти «лопасти» деформируются, открывая ионный канал — красивый и эффективный механизм.

Вскоре выяснилось, что в клетках млекопитающих у этого белка имеется близкий родственник с гомологией около 40% и похожими свойствами. Он получил название PIEZO2.


 Семьдесят второй из проверенных кандидатов оказался механорецептором. (По горизонтальной оси — изменение механореактивности клетки после мутации белка-кандидата.)



После открытия канала в 2010 году следующее десятилетие Патапутян и его коллеги посвятили выяснению функции PIEZO-белков in vivo.

Оказалось, что PIEZO2 играет важнейшую роль во многих процессах, связанных с механорецепцией. Именно этот белок отвечает за нашу способность реагировать на прикосновение. Патапутян показал короткое видео, в котором видно, как по-разному ведут себя здоровые мыши и мыши с выключенным геном PIEZO2, когда им на спину прилепляют кусочек бумаги. Здоровая мышь всячески пыталась избавиться от постороннего предмета на спине, в то время как мышь, лишенная рецептора, похоже, вовсе не замечала его.

Оказалось также, что PIEZO2 отвечает за проприоцепцию — способность человека и животных чувствовать свое тело и его положение в пространстве. Благодаря проприоцепции мы можем с закрытыми глазами коснуться кончика носа, играть на музыкальных инструментах и ходить, не глядя под ноги.

У человека изредка встречаются генетические заболевания, связанные с нарушениями в работе этого рецептора. Такие люди, если им завязать глаза, полностью лишаются контакта со своим телом и не могут сделать даже нескольких шагов, не теряя равновесия.

Это «светлая сторона» механорецепторов, но есть и «темная сторона». Чрезмерная активность PIEZO2, по видимому, играет ключевую роль в развитии синдрома тактильной аллодинии, при котором человек испытывает боль в ответ на любое легкое прикосновение. PIEZO2 может быть перспективным лекарственным таргетом для облегчения страданий людей с этим заболеванием.

Помимо реакции на внешние стимулы, ионные каналы PIEZO2 играют важную роль в формировании особого вида чувствительности к внутренним изменениям организма — интероцепции. Этот вид чувствительности во многом проходит вне нашего сознания, он отвечает за такие жизненно важные процессы, как дыхание, сердцебиение, регуляция кровяного давления. Чтобы регулировать эти (и многие другие) процессы, происходящие в теле, центральной нервной системе нужны внутренние «датчики». Именно такими датчиками и являются белки PIEZO2.

Такой внутренний контроль необходим, в частности, для мочеиспускания. Люди, у которых функция этих ионных каналов нарушена, вынуждены ходить в туалет буквально по часам, чтобы избежать нежелательных инцидентов.

А что же PIEZO1, с открытия которого и началась вся эта история? В отличие от PIEZO2, он практически не экспрессируется в нейронах, но зато присутствует в других органах и тканях, таких как сосуды, кости, клетки крови.

Интересная история связывает эти ионные каналы с системой кровообращения. Клеткам крови, когда они проходят через мельчайшие капилляры, приходится буквально протискиваться в узкий просвет, сильно деформируясь в процессе. Деформация в данном случае является реакцией на механическое воздействие (сжатие), поэтому тот факт, что в нем задействован рецептор PIEZO1, исследователей не удивил. Как мутации, ослабляющие функции канала, так и те, что усиливают его функцию, нарушают нормальное состояние эритроцитов. Однако если мутации, связанные с ослаблением PIEZO1, у людей встречаются редко, то его «усиливающая» мутация весьма распространена в некоторых популяциях.

Дальнейшие исследования показали, что усиление активности PIEZO1 эффективно защищает эритроциты от малярии. На сегодняшний день примерно каждый третий африканец — гетерозиготный носитель такой мутации Е756del, в то время как у европейцев она практически отсутствует. Однако почему подобная замена не распространилась еще шире, если она защищает от малярии и не вытеснила в малярийных регионах «нормальный» генотип? По-видимому, дело в неприятных побочных эффектах мутации. Она связана с гиперактивацией макрофагов и повышением уровня железа в плазме крови, что, по-видимому, частично нивелирует положительный эффект антималярийной защиты.

Ардем Патапутян подчеркнул универсальный характер белков семейства PIEZO. Белки этой группы синтезируют не только самые разные группы животных, включая одноклеточных, но и растения. Ионные каналы этого типа в большом количестве присутствуют в корневом чехлике растений, их активность отвечает за способность корней пробиваться вглубь почвы.

«Я нахожу чарующим факт, что тот же тип сенсоров, который мы используем, чтобы ощущать прикосновения, растения используют, чтобы анализировать почву, в которой растут. Эволюция на самом деле изумительная вещь!»

В заключение Ардем Патапутян поблагодарил своих наставников и коллег и напомнил, что исследование механорецепторов далеко от завершения. Ученым еще есть чем заняться в этой области, PIEZO — первые описанные рецепторы, но точно не последние. Он признался, что Нобелевская премия имеет для него не только профессиональное, но и большое личное значение: «Я получил множество сообщений с поздравлениями со всего мира, и многие из них пришли от ливанских армян, из страны, где родился я сам и мои предки. Я благодарен Нобелевской премии за то, что она воссоединила меня с моими историческими корнями и в очередной раз подчеркнула, что интернационализм, разнообразие, обмен людьми и идеями — неотъемлемая часть прогресса».

Добавить в избранное

Вам будет интересно