Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)

Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)

Нобелівську премію з фізіології або медицини у 2021 р. присуджено двом ученим із США — Девіду Джуліусу (David Julius) з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско та Ардему Патапутяну (Ardem Patapoutian) з Дослідницького інституту Скріппса в Сан-Дієго за «їхні відкриття рецепторів температури і...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Вісник НАН України
Datum:2021
1. Verfasser: Шуба, Я.М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2021
Schlagworte:
Статті та огляди
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/182781
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року) / Я.М. Шуба // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 12. — С. 3-17. — Бібліогр.: 42 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-182781
record_format dspace
spelling Шуба, Я.М.
2022-01-20T14:42:01Z
2022-01-20T14:42:01Z
2021
Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року) / Я.М. Шуба // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 12. — С. 3-17. — Бібліогр.: 42 назв. — укр.
0372-6436
DOI: doi.org/10.15407/visn2021.12.003
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/182781
Нобелівську премію з фізіології або медицини у 2021 р. присуджено двом ученим із США — Девіду Джуліусу (David Julius) з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско та Ардему Патапутяну (Ardem Patapoutian) з Дослідницького інституту Скріппса в Сан-Дієго за «їхні відкриття рецепторів температури і дотику» (for their discoveries of receptors for temperature and touch). У пресрелізі Нобелівського комітету зазначено, що «ці проривні відкриття стимулювали інтенсивну дослідницьку діяльність, що розширила горизонти нашого розуміння того, як нервова система відчуває тепло, холод і механічні подразники, та визначили важливі відсутні ланки у взаємодії між нашими органами відчуття і навколишнім середовищем».
The Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2021 was awarded to two scientists from the United States — David Julius from the University of California, San Francisco and Ardem Patapoutian from the Scripps Research Institute in San Diego “for their discoveries of receptors for temperature and touch”. A press release from the Nobel Committee said that "these breakthrough discoveries launched intense research activities leading to a rapid increase in our understanding of how our nervous system senses heat, cold, and mechanical stimuli. The laureates identified critical missing links in our understanding of the complex interplay between our senses and the environment”.
Дослідження автора зі з’ясування молекулярних механізмів механочутливості сечового міхура підтримуються грантом НФДУ 2020.02/0189.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Вісник НАН України
Статті та огляди
Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
From the blind fly to human diseases: the history of the discovery and study of thermo- and mechanoreceptors (Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021)
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
spellingShingle Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
Шуба, Я.М.
Статті та огляди
title_short Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
title_full Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
title_fullStr Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
title_full_unstemmed Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
title_sort від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року)
author Шуба, Я.М.
author_facet Шуба, Я.М.
topic Статті та огляди
topic_facet Статті та огляди
publishDate 2021
language Ukrainian
container_title Вісник НАН України
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
title_alt From the blind fly to human diseases: the history of the discovery and study of thermo- and mechanoreceptors (Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021)
description Нобелівську премію з фізіології або медицини у 2021 р. присуджено двом ученим із США — Девіду Джуліусу (David Julius) з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско та Ардему Патапутяну (Ardem Patapoutian) з Дослідницького інституту Скріппса в Сан-Дієго за «їхні відкриття рецепторів температури і дотику» (for their discoveries of receptors for temperature and touch). У пресрелізі Нобелівського комітету зазначено, що «ці проривні відкриття стимулювали інтенсивну дослідницьку діяльність, що розширила горизонти нашого розуміння того, як нервова система відчуває тепло, холод і механічні подразники, та визначили важливі відсутні ланки у взаємодії між нашими органами відчуття і навколишнім середовищем». The Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2021 was awarded to two scientists from the United States — David Julius from the University of California, San Francisco and Ardem Patapoutian from the Scripps Research Institute in San Diego “for their discoveries of receptors for temperature and touch”. A press release from the Nobel Committee said that "these breakthrough discoveries launched intense research activities leading to a rapid increase in our understanding of how our nervous system senses heat, cold, and mechanical stimuli. The laureates identified critical missing links in our understanding of the complex interplay between our senses and the environment”.
issn 0372-6436
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/182781
citation_txt Від незрячої мухи до захворювань людини: історія відкриття та дослідження термо- і механорецепторів (Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року) / Я.М. Шуба // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 12. — С. 3-17. — Бібліогр.: 42 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT šubaâm vídnezrâčoímuhidozahvorûvanʹlûdiniístoríâvídkrittâtadoslídžennâtermoímehanoreceptorívnobelívsʹkapremíâzfízíologííabomedicini2021roku
AT šubaâm fromtheblindflytohumandiseasesthehistoryofthediscoveryandstudyofthermoandmechanoreceptorsnobelprizeinphysiologyormedicine2021
first_indexed 2025-11-24T16:27:44Z
last_indexed 2025-11-24T16:27:44Z
_version_ 1850484096564723712
fulltext ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 3 ВІД НЕЗРЯЧОЇ МУХИ ДО ЗАХВОРЮВАНЬ ЛЮДИНИ: ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕРМО- І МЕХАНОРЕЦЕПТОРІВ Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року Нобелівську премію з фізіології або медицини у 2021 р. присуджено двом ученим із США — Девіду Джуліусу (David Julius) з Каліфорнійського уні- верситету в Сан-Франциско та Ардему Патапутяну (Ardem Patapoutian) з Дослідницького інституту Скріппса в Сан-Дієго за «їхні відкриття ре- цепторів температури і дотику» (for their discoveries of receptors for tem- perature and touch). У пресрелізі Нобелівського комітету зазначено, що «ці проривні відкриття стимулювали інтенсивну дослідницьку діяльність, що розширила горизонти нашого розуміння того, як нервова система відчуває тепло, холод і механічні подразники, та визначили важливі відсутні ланки у взаємодії між нашими органами відчуття і навколишнім середовищем». Ключові слова: Нобелівська премія з фізіології або медицини 2021 року, рецептор температури, рецептор дотику, Девід Джуліус, Ардем Патапутян. Вітаючи цьогорічних лауреатів, ми маємо пам’ятати, що Нобе- лівська премія — це зазвичай кульмінація наукової роботи, в основі якої лежать зусилля багатьох дослідників, подекуди з досить віддалених один від одного напрямів досліджень, яким з плином часу довелося конвергувати в єдине потужне пізна- вальне русло. Це повною мірою стосується і цьогорічної премії з фізіології або медицини, яку було присуджено Девіду Джулі- усу (David Julius) та Ардему Патапутяну (Ardem Patapoutian) за «їхні відкриття рецепторів температури і дотику» (for their discoveries of receptors for temperature and touch). У цій статті ми покажемо, як виникли ці відкриття в історичному аспекті і які досягнення біомедичної науки їм передували. Однак спочатку варто визначитися з термінологією. По-перше, рецептор — це білкова структура, здатна сприй- мати наявність у навколишньому середовищі сигналів-стиму- ШУБА Ярослав Михайлович — академік НАН України, завідувач відділу нервово- м’язової фізіології Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2021.12.003СТАТТІ СТАТТІ ТА ОГЛЯДИТА ОГЛЯДИ 4 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ лів у вигляді хімічних сполук (лігандів) або фізико-хімічних характеристик середовища, таких як освітленість, температура, тиск, тоніч- ність, кислотність, і перетворювати ці сигнали на каскад внутрішньоклітинних взаємодій мо- лекул-посередників, що зрештою впливає на поведінку або стан клітини. Найчастіше ре- цептори занурені у товщу клітинної оболонки (мембрани) так, що та їх частина, яка безпосе- редньо містить рецепторну ділянку, що сприй- має сигнал, звернена назовні, а та частина, яка передає сигнал молекулам-посередникам, — всередину (однак є і суто внутрішньоклітинні рецептори для ліпофільних лігандів, які здат- ні проникати крізь ліпідний матрикс — бішар клітинної мембрани). Рецептори прийнято на- зивати за ім’ям хімічного ліганду або фізично- го стимулу, які вони сприймають (наприклад, рецептор адреналіну, рецептор фотонів, той же рецептор температури). Таке визначення рецептора передбачає, що він є молекулярним субстратом для сприйняття зазначених стиму- лів. Воно є справедливим для сучасної біохімії і молекулярної фізіології. Це визначення по- трібно відрізняти від класичного, анатомічно- го визначення, під яким розуміють спеціалізо- ваний тип клітин-рецепторів, які реагують на певні сигнали як єдине ціле з метою їх передачі на інші клітини і системи організму. По-друге, іонний канал — це білковий комп- лекс, що пронизує клітинну мембрану і утво- рює заповнену водою субнанорозмірну пору, крізь яку основні іони, що входять до складу біологічних рідин (Na+, K+, Ca2+, Cl–), можуть переходити з одного боку мембрани на інший. Відкриття і закриття пори для руху іонів також регулюється хімічними лігандами або фізи- ко-хімічними факторами середовища, а отже, іонний канал є окремим випадком рецептора, в якому роль посередника відіграють іони. Це особливо справедливо щодо іонів Са2+, які регулюють багато клітинних процесів, а тому здатність іонного каналу пропускати Са2+ ро- бить цей канал особливо важливим у життєді- яльності клітин. Історично іонні канали при- йнято було називати за типом іона, який через нього проникає, — натрієвий, калієвий, хлор- Фото © UC San Francisco ДЕВІД ДЖУЛІУС (David Julius) — американський фізіолог, професор Каліфорнійського університету в Сан-Франциско. Народився 4 листопада 1955 р. в Нью- Йорку на Брайтон-Біч у єврейській сім’ї вихідців з Ро- сії. Закінчивши школу імені Авраама Лінкольна, всту- пив до Массачусетського технологічного інституту, в якому в 1977 р. здобув ступінь бакалавра. Потім став аспірантом Каліфорнійського університету в Берклі і в 1984 р. здобув там ступінь PhD. Науковими керівника- ми його дисертації з вивчення механізмів процесингу і секреції пептидних гормонів дріжджами Saccharomyces були Джеремі Торнер (Jeremy Thorner) і Ренді Шекман (Randy Schekman), нобелівський лауреат 2013 р. Потім упродовж п’яти років працював як постдок у Колум- бійському університеті в лабораторії Річарда Акселя (Richard Axel), нобелівського лауреата 2004 р., де роз- робив нові методи експресійного клонування, які дали змогу ідентифікувати гени, що кодують рецептори серотоніну. Незалежну дослідницьку кар’єру розпо- чав у 1990 р. в Каліфорнійському університеті в Сан- Франциско, зосередившись на дослідженні іонних кана- лів. Згодом став там професором і очолив кафедру фізі- ології. На початок листопада 2021 р. його індекс Гірша за даними Scopus становив 75. Д. Джуліус — член Національної академії наук США (2001), Американської академії мистецтв і наук (2005). У 2007—2020 рр. був редактором журналу An- nual Review of Physiology. Має багато наукових відзнак, зокрема він — лауреат премії Едварда Перла у галузі нейробіології (2000), премії Клауса Йохима Цюльха (2006), премії Пассано (2010), премії принцеси Асту- рійської (2010), премії Шао з медицини і наук про жит- тя (2010), премії Пола Янссена за біомедичні дослі- дження (2013), міжнародної премії Гайрднера (2017), премії Розенстіла (2019), премії «За прорив у науках про життя» (2020), премії BBVA Foundation Frontiers of Knowledge Awards (2020), премії Кавлі (2020). Останні нагороди, як і цьогорічну Нобелівську премію, Д. Джулі- ус розділив з А. Патапутяном. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 5 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ний, кальцієвий, неселективний. Однак після відкриття іонних каналів, які пропускають одні й ті самі іони, але відкривання пори яких регулюється різними фізико-хімічними сти- мулами, багато з цих каналів стали також на- зивати рецепторами, додаючи до назви ліган- ду слово «іонотропний», що якраз і вказує на суміщення рецептора з іонопровідною порою в єдиному білковому комплексі (наприклад, іонотропний ацетилхоліновий рецептор — це іонний канал, який відкривається молекулою- лігандом — ацетилхоліном). Оскільки іони електрично заряджені, їх проникнення через пору каналу приводить до виникнення транс- мембранного струму, який у свою чергу може змінювати електричний потенціал на клітин- ній мембрані. Саме це лежить в основі генера- ції клітинами електричних сигналів. Базову ін- формацію про властивості, класифікацію, фізі- ологічну і патофізіологічну роль мембранних іонних каналів і рецепторів можна отримати з україномовних джерел (наприклад, [1]). Події, що передували відкриттю терморе- цепторів. Початком формування одного з на- прямів досліджень, який привів до відкриття рецепторів температури, можна вважати кі- нець 1960-х років, коли було описано мутацію плодової мушки Drosophila melanogaster, яка проявляється в тому, що мухи-мутанти сліп- нуть після того, як їх піддають яскравому освіт- ленню [2]. Вимірювання електроретинограми (ЕРГ), яка відображає сумарну електричну реакцію всього фасеткового ока мухи на світ- ло, показало, що в мутантних мух ця реакція швидко припиняється і після періоду темряви у відповідь на повторний спалах не відновлю- ється. Водночас у нормальних мух (на відміну від мутантів їх ще називають «дикотиповими» (wild-type)) ЕРГ при освітленні лише трохи зменшується за рахунок адаптації, а після пе- ріоду темряви повністю відновлюється. Подальші дослідження вже на окремих клітинах-фоторецепторах мутантних мух по- казали, що їх рецепторний потенціал (зміна мембранного потенціалу клітини-фоторецеп- тора, який вона генерує у відповідь на світло- вий стимул) при освітленні спочатку швидко Фото Twitter | @NobelPrize АРДЕМ ПАТАПУТЯН (Ardem Patapoutian) — амери- канський молекулярний біолог і нейробіолог вірменсько- го походження, професор нейробіології в Дослідниць- кому інституті Скріппса (Scripps Research Institute) в Сан-Дієго (штат Каліфорнія) та дослідник Медично- го інституту Говарда Х’юза (Howard Hughes Medical Institute). Народився 2 жовтня 1967 р. в Бейруті (Ліван) у родині вихідців з Вірменії, батько — письменник, поет, перекладач, відомий під псевдонімом Саргис Ваагн, мати — директорка вірменської початкової школи в Бейруті. У 1986 р. родина емігрувала до США. Ступінь бакалавра з клітинної біології А. Патапутян здобув у 1990 р. в Університеті Каліфорнії в Лос-Анджелесі. Ди- сертацію PhD захистив у 1996 р. у Каліфорнійському технологічному інституті в лабораторії Барбари Волд (Barbara Wold). Як постдок працював у Каліфорнійсько- му університеті в Сан-Франциско, де в той самий час Д. Джуліус відкрив рецептор капсаїцину. Ця тематика зацікавила А. Патапутяна, і він незалежно від групи Д. Джуліуса розпочав експерименти з ментолом. У виступі під час вручення премії BBVA Foundation Frontiers of Knowledge Awards у 2020 р. Д. Джуліус і А. Патапутян зізналися, що спочатку вони жорстко конкурували один з одним, але потім їхні роботи ста- ли «взаємодоповнюючими», оскільки у 2000 р. А. Пата- путян перейшов у Дослідницький інститут Скріппса і почав досліджувати інші рецептори. Паралельно він працював у Дослідницькому центрі компанії Novartis, а з 2014 р. також є дослідником Медичного інституту Говарда Х’юза. На початок листопада 2021 р. його ін- декс Гірша за даними Scopus становив 72. А. Патапутян — член Американської асоціації спри- яння розвитку науки (2016), Національної академії наук США (2017), Американської академії мистецтв і наук (2020), лауреат премії В. Олдена Спенсера (2017), премії Розенстіла (2019), премії BBVA Foundation Fron- tiers of Knowledge Awards (2020), премії Кавлі (2020). 6 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ наростає, а потім настільки ж швидко спадає майже до темнового рівня, тобто має транзі- єнтну природу [3]. Це дало підстави назвати відповідну мутацію ТРП — транзієнтний ре- цепторний потенціал (transient receptor poten- tial — TRP), а самих мух — ТРП-мутантами. Виявилося також, що квазістаціонарна фаза рецепторного потенціалу, яка зникає у ТРП- мутантів, пов’язана з входом кальцію у фото- рецептор під час процесу фотоперетворення завдяки активації деяких (на той час невідо- мих) кальційпровідних іонних каналів у мемб- рані фоторецептора. Цей вхід кальцію є над- звичайно важливим у механізмі фотосприй- няття мухи. ТРП-мутацію простежили до 3-ї хромосоми геному Drosophila, і коли відповідний ген було клоновано [4], встановили, що його продук- том є інтегральний мембранний білок, який зрештою дійсно вдалося ідентифікувати як Са2+-провідний іонний канал, необхідний для підтримання збудженого стану фоторецептора Drosophila під час освітлення [5]. Послідовність гена trp 1 з Drosophila дозво- лила в подальшому виявити за допомогою гомологічного сканування (гомологія в біоло- гії означає структурну подібність біологічних об’єктів унаслідок їх спільного еволюційного походження) споріднені за своєю молекуляр- ною будовою іонні канали з тканин ссавців, яких виявилося так багато, що їх довелося класифікувати в окрему суперродину, яку так і назвали — TRP, а у межах цієї суперродини на різні підродини (див., напр., [6]). Класифіка- цію на підродини проводили за різними струк- турно-функціональними ознаками додаван- ням до абревіатури TRP додаткової літери, яка позначала цю ознаку, — TRPC, TRPM, TRPV, TRPA тощо. Причому, незважаючи на базову подібність структури, іонні канали — окремі представники суперродини TRP вирізнялися тим, що їх відкривання і закривання регулю- валося найрізноманітнішими фізико-хімічни- ми стимулами (про ці стимули трохи пізніше). 1 У біології гени прийнято позначати прописними лі- терами, а відповідні їм білкові продукти — друкова- ними. Читач може запитати: як же так, канали схожі за структурою, а реагують на різні стимули? Відповісти на це питання можна дуже про- сто, якщо навести приклад із повсякденного життя. Усі чотириколісні транспортні засоби походять від спільного предка — звичайного гужового возу і мають з ним спільні структур- ні ознаки: чотири колеса, дві вісі, платформу, борти. Специфіка ж кожного із сучасних чоти- риколісних транспортних засобів визначаєть- ся додатковими пристосуваннями, які люди додавали до цієї базової структури, щоб надати їм нових функцій. Так і з TRP-каналами ссав- ців — вони структурно схожі як один з одним, так і з TRP-каналом мухи, але еволюція «наві- шала» на кожен з них додаткові елементи, щоб вони відповідали конкретним потребам. Читач може поставити ще одне питання: до- бре, а до чого тут взагалі вся ця розповідь про муху і TRP-канали, а де ж терморецептори? Річ у тім, що всі терморецептори виявилися пред- ставниками TRP-суперродини іонних каналів. Більше того, сьогодні TRP-канали ссавців за- галом, а не лише їх термочутливих представ- ників, розглядають як важливі детермінанти майже всіх неінфекційних захворювань люди- ни і вони стали перспективними мішенями для пошуку нових засобів терапії [7]. Ось так не- практичний, здавалося б, з точки зору пересіч- ного громадянина інтерес науковців наприкін- ці 1960-х років до того, чому муха сліпа, за 40 років розвинувся в цілком практичні завдання для сучасної медицини. Ця історія свідчить про те, що нинішня тенденція очікувати, а то й вимагати, від науковця негайного практичного результату є контрпродуктивною, оскільки об- межує коло його пошуків і, зрештою, знижує шанси на отримання такого результату. Другий напрям досліджень, який привів до відкриття терморецепторів, стосується сен- сорної фармакології. Біля його витоків сто- їть угорський фармаколог Ніколас (Міклош) Янчо (Nicholas Jancso) (1903—1966) [9], який ще наприкінці 1940-х років з’ясував, що дія капсаїцину — сполуки, яка є основною подраз- нюючою складовою червоного перцю з роду Capsicum, при його тривалому прикладанні до ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 7 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ поняттям, аж поки група науковців на чолі з Девідом Джуліусом не поставила собі за мету з’ясувати молекулярну природу цього рецеп- тора, клонувавши ген, що його кодує. Для цього було використано стратегію так званого експресійного клонування [10], яка полягає в тому, щоб із сенсорних нейронів спінальних гангліїв щура (спінальні ганглії — це скупчен- ня нейронів у ділянці хребта, що надсилають свої закінчення на периферію, де вони сприй- мають сигнали болю, холоду, тепла та дотику) спочатку виділити ДНК, яка відповідає коду- ючим послідовностям усіх генів, що активу- ються в цих нейронах (цю ДНК ще називають комплементарною, кДНК). Потім цю кДНК розділити на частини, і кожну частину окремо ввести в сторонні клітини-реципієнти, щоб ці клітини почали її гетерологічно експресувати 2 (тобто напрацьовувати білки, які вона кодує, звідси і назва «експресійне клонування»). Клі- тини з кожною порцією введеної кДНК пере- вірити на предмет того, чи відповідають вони на капсаїцин так само, як і нативні нейрони, тобто виникненням мембранного струму і під- вищенням внутрішньоклітинної концентрації Са2+. Ту порцію кДНК, яка дасть позитивний результат, знову розділити на частини і так пе- ребором дійти до однієї-єдиної послідовності ДНК, що індукуватиме у клітинах-реципієн- тах потрібну відповідь на капсаїцин. Незважаючи на величезні трудозатрати, ця стратегія привела до успіху — в 1997 р. із су- міші кДНК спінальних гангліїв миші і щура було виділено кодуючу послідовність гена капсаїцинового рецептора [10]. Виявилося, що продуктом відповідного гена є каналоут- ворюючий мембранний білок, який несподіва- но — о, диво! — мав надзвичайну структурну подібність до TRP-каналу з мушки Drosophila. Цей каналоутворюючий білок автори спочатку назвали VR1, що розшифровується як ваніло- їдний рецептор 1 (vanilloid receptor 1). Ця на- зва засвідчувала, що капсаїцин є представни- 2 Коли в клітинах або організмах штучно експресуєть- ся не рідний (сторонній) для них генетичний мате- ріал, таку експресію називають гетерологічною (від грец. έτερος — інший). шкіри, рогівки або дихальних шляхів експери- ментальних тварин полягає в індукції нейро- генного запалення з одночасною десенсибілі- зацією (тобто втратою чутливості) сенсорних нервових закінчень, які іннервують відповідну ділянку. Капсаїцин як окрему сполуку було виділено ще в середині ХІХ ст., а його хімічну будову встановлено в 1919 р. [9]. Відтоді, завдяки своїм «пекучим» властивос- тям, він залишається чи не основним інстру- ментом сенсорної фармакології. Нейрогенне ж запалення полягає у тому, що чутливі (аферент- ні) нервові закінчення, які сприймають больові сигнали (їх ще називають ноцицепторами, від лат. noceo — ушкодження), при їх стимуляції виділяють у навколишнє середовище так зва- ні прозапальні нейропептиди — субстанцію П (substance P, SP) та кальцитонін-ген-зв’язаний пептид (calcitonin-gene-related peptide, CGRP). Останні, діючи на оточуючі клітини судин (ен- дотеліальні та гладком’язові), викликають ха- рактерні для запальної реакції вазодилатацію, екстравазацію (тобто витікання плазми крові з судин) та набряк. До речі, результати дослі- джень Н. Янчо в епоху «залізної завіси» були мало відомі у світі через труднощі з публікаці- ями в міжнародній науковій літературі, і лише після розпаду соціалістичної системи вони здо- були широке визнання. Подальші дослідження дозволили висуну- ти обґрунтовану концепцію щодо наявності у ноцицептивних нервових закінченнях спеціа- лізованого капсаїцинового рецептора, актива- ція якого капсаїцином спричиняє виникнення мембранного струму, участь у переносі якого беруть іони Са2+. Це у свою чергу приводить до збудження нервових закінчень, наслідком чого є відчуття болю, з одночасним вивільненням з них прозапальних нейропептидів, які продуку- ють локальні запальні реакції. Неперервна ж дія капсаїцину впродовж певного часу десен- сибілізує рецептор, унаслідок чого нервові за- кінчення повністю втрачають свою чутливість до будь-яких подразників з настанням трива- лого анальгезивного ефекту. Рецептор жару. Рецептор капсаїцину три- валий час залишався суто феноменологічним 8 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ком ванілоїдів (vanilloids) — хімічних сполук, які містять у своєму складі ванілілову групу (vanyllil group) і поряд з капсаїцином вклю- чають резиніфератоксин, ванілін, олваніл, нонівамід, апоцинін тощо. Однак незабаром, щоб підкреслити належність капсаїцинового рецептора саме до суперродини TRP-каналів ссавців, його було перейменовано на TRPV1, де додавання літери «V» якраз і вказувало на належність до ванілоїдної підродини, а цифра «1» — на те, що це був її перший представник. Дослідження властивостей капсаїцинового рецепторканального комплексу показали, що він є катіонпровідним зі значною проникніс- тю для Са2+ і може також активуватися, крім, власне, капсаїцину, ще й підвищенням темпе- ратури навколишнього середовища до рівня, коли вона починає спричиняти больові відчут- тя (приблизно 45° С). Таким чином виявилося, що больові відчуття від подразнюючої хімічної речовини — капсаїцину, яка є хімічним анало- гом пекучості, і, власне, від безпосереднього нагрівання мають одне й те саме «молекуляр- не походження» — вони пов’язані з активацією «мухоподібного» TRPV1 каналу у чутливих ноцицептивних нервових закінченнях. До речі, те, що рецептор капсаїцину і рецеп- тор жару миші і щура виявився однією й тією ж білковою молекулою, можна вважати ціл- ковитою випадковістю, оскільки, наприклад, птахи і кролі «пекучість» капсаїцину не відчу- вають, хоча в їхніх нервових закінченнях міс- титься TRPV1, який реагує на болісне нагрі- вання (жар). Клонування пташиного TRPV1 і його порівняння зі щурячим якраз і дозволило виявити у структурі останнього рецепторну ді- лянку, яка відповідає за зв’язування капсаїци- ну [11]. Рецептор помірного холоду. Наступним знаменним роком у відкритті терморецепторів став 2002 рік, коли було клоновано рецептор холоду і ментолу. До цього відкриття одно- часно, наче змовилися, прийшли дві групи — Д. Джуліуса [12] і А. Патапутяна [13], а відпо- відні статті було опубліковано в одному й тому самому місяці 2002 р. у двох найпрестижніших наукових часописах — Nature і Cell. Хоча про змову тут говорити навряд чи доречно, оскіль- ки ці групи конкурували між собою, а тому, як вони одночасно прийшли до фінішу і опублі- кували свої результати, доводиться лише здо- гадуватися. Одночасність тим більше дивує, якщо згада- ти, що до свого відкриття групи йшли різними шляхами. Д. Джуліус з колегами скористалися традиційним підходом експресійного клону- вання, який дозволив їм п’ятьма роками рані- ше ідентифікувати TRPV1. Свій підхід вони аргументували так: якщо рецептор пекучої хі- мічної речовини — капсаїцину виявився вод- ночас і рецептором жару, то рецептор хімічної речовини, яка викликає відчуття охолоджен- ня, — ментолу цілком може виявитися рецеп- тором холодових температур. Тим більше, що функціональні дослідження показували, що як охолодження, так і ментол можуть активувати схожий мембранний струм в обмеженій попу- ляції спеціалізованих холодчутливих сенсор- них нейронів експериментальних тварин (щу- рів) [14]. Ген, який Д. Джуліус зі співробітни- ками у такий спосіб клонували, дійсно кодував каналоутворюючий білок, що, як відзначили автори, був структурно подібний до TRP-ка- налів і міг бути активований як ментолом, так і помірним охолодженням до 20° С, а тому вони назвали його CMR1 (cold-menthol receptor 1) [12]. У відповідь на активацію CMR1 пропус- кав катіонний струм з істотним кальцієвим компонентом і крім ментолу й охолодження міг бути активований низкою інших «м’ятних» сполук, що викликають відчуття охолоджен- ня, — іциліном (синтетична сполука), евкаліп- толом (терпен з евкаліптової олії) та ментоном (терпеноїд з ефірної олії перцевої м’яти, м’яти блошиної, м’яти польової, пеларгонії). Однак назва CMR1 для холод-ментолового рецепто- ра довго не протрималася, оскільки більш влучне найменування запропонувала конкуру- юча група А. Патапутяна. А. Патапутян з колегами обрали для своїх пошуків зовсім інший, біоінформаційний під- хід з використанням прихованої моделі Мар- кова (ППМ) (hidden Markov model, HMM), що у застосуванні до нуклеотидних чи аміно- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 9 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ кислотних послідовностей дозволяє передба- чити невідомі (приховані) послідовності, ґрун- туючись на тих, що вже відомі. Вони створили ПММ з усіх з’ясованих на той час послідов- ностей TRP-білків з різних видів ссавців для сканування бази даних геномної ДНК людини. За допомогою цієї ПММ їм вдалося передба- чити і виявити багато нових, схожих з ділян- ками TRPV1, послідовностей, що потенційно могли б належати спорідненим каналам. З ви- користанням полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) вони змогли ампліфікувати фрагмент, гомологічний одній з цих послідовностей, із сенсорних нейронів миші і, зрештою, іден- тифікувати цілий ген, який містить у своєму складі цей фрагмент [13]. Структурно-функ- ціональний аналіз білкового продукту цього гена показав, що він є каналоформуючим і що відкривання пори каналу, який він утворює, здійснюється у відповідь на дію ментолу і по- мірно охолоджуючих температур. Оскільки структурно цей канал виявився «далеким родичем» TRPV1 (адже на основі подібності він і був клонований), автори відра- зу назвали його TRPМ8. На той час уже було запропоновано уніфіковану номенклатуру су- перродини TRP-каналів, яка за структурними ознаками передбачала спочатку лише три під- родини: 1) підродина С (від слів «canonical» або «classical»), яка об’єднувала представни- ків, найбільш споріднених з TRP-каналом з мушки Drosophila; 2) підродина V (від слова «vanilloid»), першим представником якої став жар-капсаїциновий рецептор TRPV1; 3) підро- дина М (від слова «melastatin») — меластатин є назвою TRP-подібного білка з клітин мела- номи [15]. Отже, холод-ментоловий рецептор TRPМ8 став 8-м представником меластатино- вої підродини і під цією назвою він відомий і дотепер. Слід зазначити, що за рік до відкриття хо- лодового рецептора експресію його гена було виявлено у простаті людини [16]. Тоді ж було відзначено і схожість білкового продукту цьо- го гена (ген названо trp-p8, а продукт — trp-p8) з TRP-каналами, однак його функціональне значення не було з’ясовано. Цікаво, що метою авторів цього дослідження був пошук біохіміч- них маркерів раку простати, і вони встановили, що експресія trp-p8 (за сучасною номенклату- рою — TRPM8) збільшується при раку про- стати порівняно з нормою. Більше того, вони показали, що експресія цього гена з’являється у поширених пухлинах людини — молочної залози, шкіри, легенів, шлунково-кишково- го тракту, тоді як у відповідних нормальних тканинах вона відсутня [16]. Це було одним з перших свідчень того, що терморецептори мо- жуть траплятися і поза межами сенсорної нер- вової системи, в тканинах, що не обов’язково є експонованими до зовнішніх температур, і не тільки в нормі, а й у патологічних станах, і що через це механізми їх активації і регуляції мо- жуть бути більш різноманітними і складними, ніж проста зміна температури. Рецептор болісного холоду. TRPM8 було відкрито як рецептор ментолу і скоріше охо- лодження, ніж справжнього холоду. Водночас функціональні дані, отримані на спінальних сенсорних нейронах гризунів, вказували на те, що деякі з цих нейронів відповідають на холод, але не відповідають на ментол. Маючи це на увазі і застосувавши той самий біоінформацій- ний підхід, що привів до успіху в клонуванні TRPM8, група А. Патапутяна у 2003 р. клону- вала ген TRP-подібного каналу, для активації якого потрібні були нижчі температури, ніж для TRPM8, але який був нечутливим до мен- толу [17]. Білковий продукт цього гена на той час також виявився вже відомим під назвою ANKTM1 (назва вказує на наявність у білка так званих анкіринових і трансмембранних структурних доменів) як такий, що експресу- ється у фібробластах, але функції якого зали- шалися не зовсім зрозумілими. А. Патапутян зі співробітниками у своїх перших дослідженнях оперували саме цією назвою, відзначивши, що хоч ANKTM1 і має подібність до TRP-білків, ця схожість є незначною, що не дозволяло від- нести його до жодної з наявних тоді підродин. У зв’язку з цим для ANKTM1 у рамках уні- фікованої номенклатури TRP-каналів було створено окрему підродину під літерою «А» 10 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ (від слова «анкірин», англ. ankyrin), і він став першим і поки що єдиним представником цієї підродини під назвою TRPА1. Серед особливостей TRPА1 слід відзначити такі. TRPА1 постійно траплявся в тих самих чутливих нервових закінченнях, які містили також TRPV1 і реагували на больові стимули. Отже, в одній і тій самій популяції ноцицеп- тивних нейронів TRPV1 відповідав за сприй- няття болю, пов’язаного із нагріванням, а TRPА1 — з сильним охолодженням. Водночас TRPM8 був характерним для окремої, холод- чутливої популяції сенсорних нейронів. Поді- бно до TRPV1, який одночасно є рецептором подразнюючої речовини — капсаїцину, для TRPА1 також було виявлено низку подразню- ючих хімічних сполук: речовин, що входять до складу кулінарних спецій, — алілізотіоціанат з гірчичної олії, цинамальдегід з коричної олії, гвоздичну олію, імбир, васабі, а також забруд- нювачі навколишнього середовища, зокрема акролеїн — найпростіший ненасичений альде- гід, що міститься в тютюновому димі та димі від спалювання органічного палива, для яких він відіграє роль рецептора [18, 19]. Інші терморецептори. TRPV1 і TRPM8 — це класичні канали-терморецептори, роль яких у цій якості було доведено в численних дослідженнях, у тому числі й in vivo на моделях трансгенних тварин, у яких відповідний ген був нокаутований (ці тварини втрачали чутли- вість до відповідних температур, що перевіря- ли у поведінкових тестах) [20—22]. Стосовно ж ролі TRPА1 як справжнього терморецептора холоду дані виявилися досить суперечливими, і поки його переважно позиціонують як сен- сор широкого спектру хімічних подразнюю- чих речовин, який також може активуватися болісним холодом, прозапальними факторами і бере участь у сприйнятті больових сигналів [23]. Слід зазначити, що до терморецепторів, які реагують на різні діапазони нагріваючих температур — від теплого до пекучого, деякий час відносили ще принаймні трьох представ- ників ванілоїдної підродини TRP-каналів, до клонування генів яких також доклали руку групи Д. Джуліуса і А. Патапутяна: TRPV2 як нечутливий до капсаїцину сенсор пекучих температур (поріг ~52° С) [24], а також TRPV3 [25—27] і TRPV4 [28] як сенсори теплих тем- ператур (діапазон 23—39° С). Однак подальші дослідження на мишах, у яких відповідні гени були нокаутовані, не показали очевидних по- рушень у термочутливості тварин, а тому роль цих каналів як терморецепторів сумнівна. Водночас експресія справжніх терморецеп- торів — TRPV1 і TRPM8 виявилася не обме- женою тільки сенсорними нейронами, її було описано в багатьох інших типах клітин (див., напр., [29, 30]), які безпосередньо не пов’язані з температурною чутливістю. В цих клітинах активація і регуляція зазначених терморецеп- торів здійснюється не змінами температури, а через потрапляння всередину організму хіміч- них сполук, що є їх лігандами, а також низкою ендогенних факторів, зокрема змінами pH, кальцієм та деякими молекулами-посередни- ками пептидної і ліпідної природи. Наприклад, ендогенні активатори TRPV1, серед яких най- відомішим є анандамід3, навіть здобули спе- ціальну назву — ендованілоїди [31]. Низка ен- догенних факторів також відіграють роль сен- сибілізаторів (тобто посилювачів чутливості) цих каналів до справжніх активаторів. Залежно від типу клітин і контексту при своїй активації як TRPV1, так і TRPM8 завдяки властивій їм кальцієвій проникності можуть впливати на клітинні процеси, які регулюються кальцієм, — скорочення, секрецію, проліферацію, міграцію, апоптоз. У зв’язку з цим їх, зокрема, розгляда- ють як важливі детермінанти злоякісного пере- родження клітин (див., напр., [32]). Терапевтичний потенціал терморецепторів. Термочутливі TRPV1, TRPM8 і TRPA1 є на сьогодні одними з найбільш досліджуваних іонних каналів, яким присвячено тисячі статей і сотні оглядів. Це пояснюється їх участю як у процесах сприйняття болю, так і в багатьох інших процесах, що впливають на поведінку і функцію різних типів клітин. Однак саме по- 3 Анандамід — жирнокислотний нейромедіатор, що ак- тивує канабіноїдні рецептори, які також є мішенями дії основного психоактивного компоненту канабісу (коноплі) — тетрагідроканабінолу. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 11 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ширеність терморецепторів і їх залучення до цілої низки клітинних процесів стримує їх те- рапевтичне таргетування, оскільки намагання фармакологічно вплинути на них в якомусь одному контексті може спричинити небажані побічні дії. На сьогодні є досить великий ар- сенал фармакологічних засобів впливу на тер- морецептори, але переважна більшість з них мають експериментальний характер і не вихо- дять за межі дослідницьких лабораторій. TRPV1 розглядають насамперед як мішень для розроблення знеболювальних засобів [33]. У цьому напрямі ведуться пошуки як специ- фічних блокаторів TRPV1, так і його актива- торів, які спочатку хоч і можуть викликати спалах болю, однак з часом приводять до де- сенсибілізації TRPV1, наслідком чого є три- вале припинення больових відчуттів. Багато TRPV1-специфічних речовин уже перебува- ють на різних стадіях клінічних випробувань проти нейропатичного, онкологічного, сто- матологічного, постопераційного болю, болю опорно-рухового апарату тощо [33]. Що сто- сується антагоністів TRPV1, то їх клінічне ви- користання як знеболювальних було обмеже- но шкідливими побічними ефектами, зокрема сильною гіпертермією [34], щодо механізмів виникнення якої є кілька теорій. TRPV1- активатори, зокрема резиніфератоксин, ви- кликають потужну дефункціоналізацію ноци- цепторів унаслідок десенсибілізації і таким чи- ном спричиняють тривалий знеболювальний ефект. У цьому аспекті саме резиніфератоксин має переваги над капсаїцином, оскільки він викликає слабший початковий подразнюваль- ний ефект і працює в менших концентраціях. Рецептори дотику, або, точніше, механо- рецептори. Здатність відчувати механічні по- дразники різної модальності — від осмотично- го тиску до звукових коливань є еволюційно чи не найдавнішою базовою властивістю всіх жи- вих організмів — від бактерій до людини. Для сприйняття механічних подразників і їх пере- творення на електрохімічну форму, придатну для обробки і поширення як у межах окремих клітин, так і між клітинами, «матінка природа» створила спеціалізовані білкові молекули — механорецептори. Ці білкові молекули також є іонними каналами з тією особливістю, що вони можуть активуватися у відповідь на механічні напруження, які виникають у ліпідному бішарі клітинної мембрани при його розтягненні або зміні мікрокривизни. Дійсно, іонні канали — це білки, які прони- зують ліпідний матрикс мембрани, а тому, оче- видно, сили, пов’язані з його деформацією, не- одмінно передаватимуться на білкову молекулу каналу, впливаючи на її функціонування. Відпо- відно до цієї логіки, практично не існує іонних каналів, функціональні властивості яких тією чи іншою мірою не модулювалися б впливами, що викликають деформацію клітинної мемб- рани. Однак для того, щоб цілком відповідати критеріям механорецептора, іонний канал по- винен не просто модулюватися механічним сти- мулом, який деформує мембрану, а цей стимул має бути основним і приводити до фізіологічно значущої активації каналу, тобто відкривання його іонопровідної пори. Для цього структура білкової молекули каналу має бути такою, щоб забезпечити найбільш ефективне перетворен- ня механічного напруження мембрани у зміни його конформаційного стану (див., напр., [35] про різні моделі такого перетворення). Такі «справжні» механоактивовані канали вперше було відкрито у грамнегативних бак- теріях Escherichia coli. Вони містяться у вну- трішній мембрані бактерії і відповідають за її реакцію на зміни осмотичного тиску зовніш- нього середовища [36, 37]. Їх було названо Мsc (Mechanosensitive channels) з додаванням літе- ри, що позначала величину їхньої електричної провідності (L — від large або S — від small), тобто MscL та MscS. Активація цих каналів відбувається у відповідь на розтягнення мемб- рани, спричинене набуханням бактерії внаслі- док входу в неї води при потраплянні в гіпоос- мотичне середовище. При цьому відкривання MscL та MscS приводить до виходу з бактерії іонів, що протидіє входу води і сприяє віднов- ленню об’єму. Аналогів MscL- і MscS-каналів у еукаріотів знайдено не було. Ще одними тільки механоактивованими ка- налами виявилися канали з нематоди (кругло- 12 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ го черв’яка) Caenorhabditis elegans, які розта- шовані у спеціалізованих сенсорних нейронах, що надсилають свої відростки по всій поверхні тіла нематоди і відповідають за її тактильну чутливість (адже у черв’яка тактильна чут- ливість є основним способом «спілкування» із зовнішнім світом). Відповідні каналоутво- рюючі білки кодуються групою споріднених генів нематоди — mec (їх є кілька під різними номерами) і deg-1 [38]. Перша назва походить від трьох початкових літер слова «mechanosen- sory», а друга — від слова «degenerin». Останнє свідчить про існування мутацій цього гена, при яких його білковий продукт, що утворює іон- ний канал, втрачає можливість бути активова- ним механічним стимулом і стає конститутив- но (тобто постійно) відкритим. Це приводить до порушення осмобалансу в сенсорних не- йронах, у яких цей канал експресується, і їх за- гибелі (тобто дегенерації (degeneration), звідси й назва) внаслідок набухання і розриву мемб- рани через надлишковий вхід води, резуль- татом чого є втрата нематодами тактильної чутливості. У ссавців було відкрито споріднену до деге- неринів нематоди групу іонних каналів під на- звою ENaC/ASIC 4, окремі представники якої хоч і мають помітну чутливість до механіч- них подразників, однак основними в них є все ж таки інші активуючі стимули (див., напр., [1, 39]). Наявність механочутливості виявлено і для багатьох представників TRP-каналів, зо- крема й для тих, які вважають терморецепто- рами, а також для низки каналів, селективних для іонів калію. Однак для всіх них механічні подразники є не основними, а скоріше одними з багатьох інших активуючих чинників [39]. Отже, на початку 2010-х років молекулярна природа механорецепторів ссавців, які б по- вною мірою відповідали всім критеріям, в на- уці не була відома, а тому група А. Патапутяна поставила собі за мету знайти такі рецептори [40]. Для цього вони вирішили працювати не з нативними клітинами, які щоразу потріб- но отримувати від лабораторних тварин, а з 4 Назва походить від словосполучень Epithelial Na+ Channels / Acid Sensing Ion Channels. клітинною лінією, тобто клітинами, які здат- ні нескінченно довго жити і розмножуватися у штучних умовах поза межами організму, з якого їх було виділено. Критерієм вибору та- кої лінії була здатність клітин у відповідь на механічну стимуляцію генерувати стабільно відтворюваний мембранний струм (адже пе- редбачалося, що механорецептори — це іонні канали, які при активації пропускають іони). Такими виявилися клітини лінії N2A (або Neuro2A) нейробластоми миші, а як механіч- ний стимул застосовували каліброване натис- кання на поверхню клітини скляним мікро- інструментом. Стратегія пошуку полягала в тому, щоб спо- чатку визначити, гени яких потенційних ка- нальних білків у клітинах N2A експресуються (білки мають відповідати низці критеріїв, щоб вважатися канальними), потім складений спи- сок скоротити, вибравши з нього гени відомих катіонних каналів та мембранних білків з не- встановленою функцією, а далі для кожного з вибраних генів створити молекулярно-біоло- гічний інструмент, який дозволив би його тим- часово вимикати (такими інструментами є так звані малі інтерференційні РНК, siRNA). Таким чином було відібрано 73 гени, для ви- мкнення кожного з яких було створено відпо- відні siRNA. Скринінг усіх цих siRNA на пред- мет того, чи здатні вони в разі їх введення у клітини N2A усувати мембранний струм у від- повідь на натискання, привів до ідентифікації гена Fam38A, що кодує великий мембранний білок з такою самою назвою (Fam38A), але з невстановленою функцією, як такого, що бере участь у створенні цього струму [40]. Оскіль- ки білок Fam38A виявився необхідним для генерації мембранного струму під дією натис- кання, його було перейменовано на Piezo1 (від грец. Πιέζω — натискати). У хребетних є два гомологічні гени — Fam38A і Fam38B. Клонування Fam38B, який у свою чергу було перейменовано на Piezo2, з нейронів спінальних гангліїв миші та його гетерологічна експресія у клітинній системі, яка природно не мала струму, що може бути активований на- тисканням, приводили до появи такого струму, ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 13 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ хоч і з дещо відмінними біофізичними власти- востями порівняно з тим, який з’являвся при гетерологічній експресії Piezo1 [40]. Відповід- но, нокдаун Piezo2 у нейронах спінальних ган- гліїв миші приводив до втрати ними струму, активованого натисканням. Все це дозволило зробити висновок, що мембранні білки Piezo1 і Piezo2 є компонентами справжніх механоре- цепторів, які функціонують у зв’язці з катіон- ними каналами. Однак все ще була ймовірність того, що вони являють собою саме регуляторні компоненти, які відповідають за механочутли- вість якогось більш складного білкового ка- нального комплексу, аж поки 2 роки потому та сама група науковців на чолі з А. Патапутяном остаточно не довела, що Piezo1 і Piezo2 є безпо- середньо пороутворюючими білками механо- активованого каналу і не потребують якихось додаткових білків для того, щоб у такій якості функціонувати [41]. Отже, Piezo1 і Piezo2 виявилися тими сами- ми справжніми механорецепторами ссавців, молекулярна природа яких так довго залиша- лася нез’ясованою. У ссавців вони поширені в багатьох типах клітин, які вирізняються чут- ливістю до механічних стимулів, особливо їх багато в серцево-судинній, респіраторній, се- човидільній системах та сенсорних нейронах (див. огляди [35, 39, 42]). Причому Piezo1 є більш характерними для клітин ненейрональ- ної природи — епітеліальних, ендотеліаль- них, гладком’язових, кров’яних, у яких вони забезпечують реакцію клітин у відповідь на деформацію зсуву від рідин, що протікають, деформацію розтягу при зміні об’єму порож- нинних органів і еритроцитів, взаємодію із зо- внішньоклітинним матриксом, а Piezo2 — для соматосенсорної системи (тобто системи, яка надає інформацію про стан зовнішнього і вну- трішнього середовища організму і передає її у ЦНС). Зокрема, Piezo2 — це механорецептор у сенсорних нервових закінченнях, які іннерву- ють шкіру, і в клітинах Меркеля 5, необхідний 5 Клітини Меркеля — спеціалізовані епітеліальні клі- тини, наявні у шкірі, які перебувають у тісному кон- такті з периферичними терміналями сенсорних ней- ронів, що реагують на дотик. для відчуття дотику, в нервових закінченнях, які іннервують скелетні м’язи та легені і реагу- ють на розтягнення м’язів і легень, відповіда- ючи за пропріоцепцію 6 та регуляцію дихання. Piezo1 і Piezo2 розглядають як перспективні молекулярні мішені для корекції розладів усіх цих систем і процесів. Сучасний стан розвитку досліджень термо- і механорецепторів. Вивчення термо- і меха- норецепторів на всіх рівнях — від молекуляр- ного до поведінкового і їх участі у фізіологіч- них та патофізіологічних процесах є од нією з «гарячих» тем сучасної медико-біологічної науки. Пошук найбільш популярної бази да- них медико-біологічної літератури PubMed за хоча б одним з ключових слів у резюме ста- тей — TRPV1, TRPM8, Piezo1, Piezo2 — ви- дає 7967 результатів (станом на 14.11.2021) з яких 1036 — це узагальнюючі огляди, а ре- шта — оригінальні роботи. Причому якщо за весь 2002 р. було лише 9 таких статей, то за 2020 р. — 771, а за 2021 р., який ще не завер- шився, — вже 723. У цьому напрямі досягнуто вражаючих успіхів — отримано кріоелектрон- но-мікроскопічні зображення рецепторів з атомарною роздільною здатністю і з’ясовано їх структуру (до речі, у 2017 р. Жаку Дюбо- ше, Йоахіму Франку та Річарду Хендерсону було присуджено Нобелівську премію з хімії за «розробку кріоелектронної мікроскопії для визначення структури біомолекул у розчині з високою роздільною здатністю»), проведе- но структурно-функціональний аналіз моле- кул рецепторів (тобто з’ясовано, які ділянки їх молекул відповідають за яку функцію), створено моделі трансгенних тварин, у яких відповідні гени були нокаутовані або модифі- ковані, встановлено фізіологічні і патофізіо- логічні процеси, в яких ці рецептори беруть участь. Однак належить зробити ще багато, особливо в плані визначення терапевтичного потенціалу цих рецепторів і розроблення ме- тодів спрямованого впливу на їх функцію. В Україні дослідженням термо- і механо- рецепторів займаються фактично тільки в Ін- 6 Пропріоцепція — відчуття власного руху і положен- ня тіла. 14 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ституті фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України. Ці дослідження проводяться як влас- ними зусиллями на власній експерименталь- ній базі, так і у співробітництві із зарубіжними колегами і зосереджені, зокрема, на з’ясуванні ролі цих рецепторів у нормальному і патоло- гічному функціонуванні сечостатевої систе- ми, встановленні різних аспектів залучення капсаїцинового рецептора TRPV1 у больову сигналізацію та холод-ментолового рецепто- ра TRPM8 — у регуляцію тонусу і скорочення судин. Автор цих рядків особисто розпочав свої до- слідження в цій галузі ще у 2002 р., коли ви- йшли статті груп Д. Джуліуса і А. Патапутя- на, які ідентифікували TRPM8 як холодовий рецептор [12, 13]. Разом із французькими ко- легами ми тоді цікавилися тим, функція яких іонних каналів є онкогенною, тобто сприяє злоякісному переродженню клітин, і одразу пов’язали виявлений за рік до того маркер ра- кових клітин, білок trp-p8 [16], з нововідкри- тим холодовим рецептором TRPM8. Відтоді й почався наш інтерес саме до функції TRPM8 поза межами сенсорної нервової системи. А стимулом нашої уваги до механорецепторів стала особиста зустріч і знайомство на Гордо- нівській конференції з іонних каналів у 2014 р. з А. Патапутяном, доповіді якого щодо Piezo1 і Piezo2 стали тоді центральними подіями кон- ференції. Свідченням того, що інтерес до про- блематики термо- і механорецепторів в Україні зростає, є, зокрема, той факт, що дослідження автора цих рядків зі з’ясування молекулярних механізмів механочутливості сечового міхура в нормі та їх змін при діабеті 2-го типу було підтримано грантом Національного фонду до- сліджень України (НФДУ). Ну й на завершення — одвічне для україн- ського суспільства питання: «Чи можуть укра- їнські науковці стати лауреатами Нобелівської премії?». Відповідь автора така — можуть, але не за роботу, виконану в Україні. Чому так? А тому що українські науковці за своїм інте- лектуальним рівнем, мотивацією, вміннями і працездатністю не поступаються нікому у сві- ті і доводять це своєю роботою в лабораторіях багатьох розвинених у науковому плані країн. Однак умови для проведення наукової роботи в Україні поки що не сприяють продуктивній реалізації цього потенціалу. І йдеться тут не лише про найчастіше згадувану нестачу гро- шей, адже з початком діяльності НФДУ ситуа- ція принаймні в цьому плані поліпшується. Ве- лике значення має також наявність ефективної інфраструктури з матеріального забезпечення досліджень, використання передових організа- ційних форм роботи, затребуваність наукових результатів суспільством, престижність науко- вої роботи, сприятлива нормативно-правова база. А з усім цим в Україні, на жаль, величезні проблеми. Чи міг би будь-який нобелівський лауреат, покладаючись лише на свій інтелект і маючи купу грошей, зробити свої відкриття, працюючи у племені туземців? Питання, га- даю, риторичне. До речі, Ардем Патапутян — етнічний вірменин, який народився в Лівані й емігрував з родиною до США у 19-річному віці. Впевнений, що якби цього не сталося, се- ред нобелівських лауреатів 2021 року або було б інше прізвище, або премію присудили б за інші досягнення. Дослідження автора зі з’ясування молекуляр- них механізмів механочутливості сечового міхура підтримуються грантом НФДУ 2020.02/0189. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 15 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Shuba Ya.M. Basics of molecular physiology of ion channels (Osnovy molekuliarnoi fiziolohii ionnykh kanaliv). Kyiv: Naukova Dumka, 2010 (in Ukrainian). [Шуба Я.М. Основи молекулярної фізіології іонних каналів. Київ: Наукова думка, 2010.] 2. Cosens D.J., Manning A. Abnormal electroretinogram from a Drosophila mutant. Nature. 1969. 224(5216): 285—287. DOI: https://doi.org/10.1038/224285a0 3. Minke B., Wu C., Pak W.L. Induction of photoreceptor voltage noise in the dark in Drosophila mutant. Nature. 1975. 258(5530): 84—87. DOI: https://doi.org/10.1038/258084a0 4. Montell C., Rubin G.M. Molecular characterization of the Drosophila trp locus: a putative integral membrane protein required for phototransduction. Neuron. 1989. 2(4): 1313—1323. DOI: https://doi.org/10.1016/0896- 6273(89)90069-X 5. Hardie R.C., Minke B. The trp gene is essential for a light-activated Ca2+ channel in Drosophila photoreceptors. Neuron. 1992. 8(4): 643—651. DOI: https://doi.org/10.1016/0896-6273(92)90086-S 6. Venkatachalam K., Montell C. TRP channels. Annu. Rev. Biochem. 2007. 76: 387—417. DOI: https://doi.org/10.1146/ annurev.biochem.75.103004.142819 7. Koivisto A.P., Belvisi M.G., Gaudet R., Szallasi A., Koivisto A.P., Belvisi M.G., Gaudet R., Szallasi A. Advances in TRP channel drug discovery: from target validation to clinical studies. Nat. Rev. Drug Discov. 2021. 15: 1—19. DOI: https://doi.org/10.1038/s41573-021-00268-4 8. Jancsó G., Sántha P. The foundation of sensory pharmacology: Nicholas (Miklós) Jancsó and the Szeged contribution. Temperature (Austin). 2015. 2(2): 152—157. DOI: https://doi.org/10.1080/23328940.2015.1045683 9. Nelson E.K. The constitution of capsaicin, the pungent principle of capsicum. J. Am. Chem. Soc. 1919. 41: 1115—1121. DOI: https://doi.org/10.1021/ja02228a011 10. Caterina M.J., Schumacher M.A., Tominaga M., Rosen T.A., Levine J.D., Julius D. The capsaicin receptor: a heat- activated ion channel in the pain pathway. Nature. 1997. 389(6653): 816—824. DOI: https://doi.org/10.1038/39807 11. Jordt S.E., Julius D. Molecular basis for species-specific sensitivity to “hot” chili peppers. Cell. 2002. 108(3): 421— 430. DOI: https://doi.org/10.1016/S0092-8674(02)00637-2 12. McKemy D.D., Neuhausser W.M., Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature. 2002. 416(6876): 52—58. DOI: https://doi.org/10.1038/nature719 13. Peier A.M., Moqrich A., Hergarden A.C., Reeve A.J., Andersson D.A., Story G.M., Earley T.J., Dragoni I., Mc- Intyre P., Bevan S., Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell. 2002. 108(5): 705—715. DOI: https://doi.org/10.1016/S0092-8674(02)00652-9 14. Reid G., Flonta M.L. Cold current in thermoreceptive neurons. Nature. 2001. 413(6855): 480. DOI: https://doi. org/10.1038/35097164 15. Clapham D.E., Runnels L.W., Strübing C. The TRP ion channel family. Nat. Rev. Neurosci. 2001. 2(6): 387—396. DOI: https://doi.org/10.1038/35077544 16. Tsavaler L., Shapero M.H., Morkowski S., Laus R. Trp-p8, a novel prostate-specific gene, is up-regulated in prostate cancer and other malignancies and shares high homology with transient receptor potential calcium channel proteins. Cancer Res. 2001. 61(9): 3760—3769. https://cancerres.aacrjournals.org/content/61/9/3760 17. Story G.M., Peier A.M., Reeve A.J., Eid S.R., Mosbacher J., Hricik T.R., Earley T.J., Hergarden A.C., Andersson D.A., Hwang S.W., McIntyre P., Jegla T., Bevan S., Patapoutian A. ANKTM1, a TRP-like channel expressed in nocicep- tive neurons, is activated by cold temperatures. Cell. 2003. 112(6): 819—829. DOI: https://doi.org/10.1016/S0092- 8674(03)00158-2 18. Jordt S.E., Bautista D.M., Chuang H.H., McKemy D.D., Zygmunt P.M., Högestätt E.D., Meng I.D., Julius D. Mus- tard oils and cannabinoids excite sensory nerve fibres through the TRP channel ANKTM1. Nature. 2004. 427(6971): 260—265. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02282 19. Bandell M., Story G.M., Hwang S.W., Viswanath V., Eid S.R., Petrus M.J., Earley T.J., Patapoutian A. Noxious cold ion channel TRPA1 is activated by pungent compounds and bradykinin. Neuron. 2004. 41(6): 849—857. DOI: https:// doi.org/10.1016/S0896-6273(04)00150-3 20. Caterina M.J., Leffler A., Malmberg A.B., Martin W.J., Trafton J., Petersen-Zeitz K.R., Koltzenburg M., Basbaum A.I., Julius D. Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science. 2000. 288(5464): 306—313. DOI: https://doi.org/10.1126/science.288.5464.306 16 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 21. Bautista D.M., Siemens J., Glazer J.M., Tsuruda P.R., Basbaum A.I., Stucky C.L., Jordt S.E., Julius D. The menthol receptor TRPM8 is the principal detector of environmental cold. Nature. 2007. 448(7150): 204—208. DOI: https:// doi.org/10.1038/nature05910 22. Dhaka A., Murray A.N., Mathur J., Earley T.J., Petrus M.J., Patapoutian A. TRPM8 is required for cold sensation in mice. Neuron. 2007. 54(3): 371—378. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2007.02.024 23. Caspani O., Heppenstall P.A. TRPA1 and cold transduction: an unresolved issue? J. Gen. Physiol. 2009. 133(3): 245— 249. DOI: https://doi.org/10.1085/jgp.200810136 24. Caterina M.J., Rosen T.A., Tominaga M., Brake A.J., Julius D. A capsaicin-receptor homologue with a high threshold for noxious heat. Nature. 1999. 398(6726): 436—441. DOI: https://doi.org/10.1038/18906 25. Peier A.M., Reeve A.J., Andersson D.A., Moqrich A., Earley T.J., Hergarden A.C., Story G.M., Colley S., Hogen- esch J.B., McIntyre P., Bevan S., Patapoutian A. A heat-sensitive TRP channel expressed in keratinocytes. Science. 2002. 296(5575): 2046—2049. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1073140 26. Xu H., Ramsey I.S., Kotecha S.A., Moran M.M., Chong J.A., Lawson D., Ge P., Lilly J., Silos-Santiago I., Xie Y., Di- Stefano P.S., Curtis R., Clapham D.E. TRPV3 is a calcium-permeable temperature-sensitive cation channel. Nature. 2002. 418(6894): 181—186. DOI: https://doi.org/10.1038/nature00882 27. Smith G.D., Gunthorpe M.J., Kelsell R.E., Hayes P.D., Reilly P., Facer P., Wright J.E., Jerman J.C., Walhin J.P., Ooi L., Egerton J., Charles K.J., Smart D., Randall A.D., Anand P., Davis J.B. TRPV3 is a temperature-sensitive vanilloid receptor-like protein. Nature. 2002. 418(6894): 186—190. DOI: https://doi.org/10.1038/nature00894 28. Güler A.D., Lee H., Iida T., Shimizu I., Tominaga M., Caterina M. Heat-evoked activation of the ion channel, TRPV4. J. Neurosci. 2002. 22(15): 6408—6414. DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-15-06408.2002 29. Shuba Y.M. Beyond Neuronal Heat Sensing: Diversity of TRPV1 Heat-Capsaicin Receptor-Channel Functions. Front. Cell Neurosci. 2021. 14: 612480. DOI: https://doi.org/10.3389/fncel.2020.612480 30. Liu Y., Mikrani R., He Y., Faran Ashraf Baig M.M., Abbas M., Naveed M., Tang M., Zhang Q., Li C., Zhou X. TRPM8 channels: A review of distribution and clinical role. Eur. J. Pharmacol. 2020. 882: 173312. DOI: https://doi. org/10.1016/j.ejphar.2020.173312 31. Van Der Stelt M., Di Marzo V. Endovanilloids. Putative endogenous ligands of transient receptor potential vanilloid 1 channels. Eur. J. Biochem. 2004. 271(10): 1827—1834. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.2004.04081.x 32. Prevarskaya N., Skryma R., Shuba Y. Ion Channels in Cancer: Are Cancer Hallmarks Oncochannelopathies? Physiol. Rev. 2018. 98(2): 559—621. DOI: https://doi.org/10.1152/physrev.00044.2016 33. Iftinca M., Defaye M., Altier C. TRPV1-Targeted Drugs in Development for Human Pain Conditions. Drugs. 2021. 81(1): 7—27. DOI: https://doi.org/10.1007/s40265-020-01429-2 34. Gavva N.R., Treanor J.J., Garami A., Fang L., Surapaneni S., Akrami A., Alvarez F., Bak A., Darling M., Gore A., Jang G.R., Kesslak J.P., Ni L., Norman M.H., Palluconi G., Rose M.J., Salfi M., Tan E., Romanovsky A.A., Banfield C., Davar G. Pharmacological blockade of the vanilloid receptor TRPV1 elicits marked hyperthermia in humans. Pain. 2008. 136(1—2): 202—210. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pain.2008.01.024 35. Kefauver J.M., Ward A.B., Patapoutian A. Discoveries in structure and physiology of mechanically activated ion channels. Nature. 2020. 587(7835): 567—576. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2933-1 36. Sukharev S.I., Martinac B., Arshavsky V.Y., Kung C. Two types of mechanosensitive channels in the Escherichia coli cell envelope: solubilization and functional reconstitution. Biophys. J. 1993. 65(1): 177—183. DOI: https://doi. org/10.1016/S0006-3495(93)81044-0 37. Sukharev S.I., Blount P., Martinac B., Blattner F.R., Kung C. A large-conductance mechanosensitive channel in E. coli encoded by mscL alone. Nature. 1994. 368(6468): 265—268. DOI: https://doi.org/10.1038/368265a0 38. Huang M., Chalfie M. Gene interactions affecting mechanosensory transduction in Caenorhabditis elegans. Nature. 1994. 367(6462): 467—470. DOI: https://doi.org/10.1038/367467a0 39. Ranade S.S., Syeda R., Patapoutian A. Mechanically Activated Ion Channels. Neuron. 2015. 87(6): 1162—1179. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2015.08.032 40. Coste B., Mathur J., Schmidt M., Earley T.J., Ranade S., Petrus M.J., Dubin A.E., Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science. 2010. 330(6000): 55—60. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1193270 41. Coste B., Xiao B., Santos J.S., Syeda R., Grandl J., Spencer K.S., Kim S.E., Schmidt M., Mathur J., Dubin A.E., Mon- tal M., Patapoutian A. Piezo proteins are pore-forming subunits of mechanically activated channels. Nature. 2012. 483(7388): 176—181. DOI: https://doi.org/10.1038/nature10812 42. Murthy S.E., Dubin A.E., Patapoutian A. Piezos thrive under pressure: mechanically activated ion channels in health and disease. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2017. 18(12): 771—783. DOI: https://doi.org/10.1038/nrm.2017.92 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 17 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Yaroslav M. Shuba ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1451-7188 Bogomoletz Institute of Physiology of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine FROM THE BLIND FLY TO HUMAN DISEASES: THE HISTORY OF THE DISCOVERY AND STUDY OF THERMO- AND MECHANORECEPTORS Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021 The Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2021 was awarded to two scientists from the United States — David Julius from the University of California, San Francisco and Ardem Patapoutian from the Scripps Research Institute in San Diego “for their discoveries of receptors for temperature and touch”. A press release from the Nobel Committee said that "these breakthrough discoveries launched intense research activities leading to a rapid increase in our understanding of how our nervous system senses heat, cold, and mechanical stimuli. The laureates identified critical missing links in our understanding of the complex interplay between our senses and the environment”. Keywords: Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021, receptors for temperature, receptors for touch, David Julius, Ardem Patapoutian.

Ähnliche Einträge