Калій, натрій, кальцій і перець чилі

Наука
22 Жовтня 2021, 11:29

Нобелівська премія з фізіології або медицини — дивна річ. Її дають за відкриття у фізіології. Або за прориви в медицині. Але бажано, щоб навіть фізіологічні дослідження сильно вплинули на медицину. Нобель ще хотів, щоб того ж року, коли відбулися. Ясно, що в наш час це так не працює. Науку більше не роблять одинаки, науковців у біомедичних галузях сотні тисяч по всьому світу. За рік виходять тисячі наукових публікацій у впливових часописах, частина з яких будуть спростовані, а частина просто тихенько не підтвердиться. Впровадження нових технологій у клінічну практику триває десятиліттями, адже контролювальні органи пильно стежать за виконанням гіппократівської максими «лікарю, не нашкодь!». Дослідження самого наукового процесу створення нових знань потребує часу й, бажано, погляду з боку, на відстані. Можливо, саме тому Нобелівський комітет вчергове віддав перевагу важливому, але не «свіжому» відкриттю. Девід Джуліус і Ардем Патапутян розділили премію за розуміння природи відчуття температури й дотику.

Відомий нейробіолог Дік Свааб колись написав книжку «Ми — це наш мозок» («We are our Brains», 2014). Певною мірою це дійсно так. Усе, що ми сприймаємо, думаємо, плануємо, переживаємо, починається та закінчується в головному мозку. Але мозок лежить у черепі, добре захищений від навколишнього середовища. Навіть від крові з її клітинами та білками. Про зовнішній світ (та й про світ «внутрішніх органів») він дізнається завдяки рецепторам.
Зі словом «рецептор» існує певна плутанина, оскільки ним називають два різні фізичні об’єкти. Один із них — орган, здатний сприймати сигнали зовнішнього середовища. Це може бути дуже простий орган, що складається з однієї клітини або навіть її частини. Більшість наших рецепторів — нервові закінчення, відростки нервової клітини, які стирчать у шкірі чи в стінках органів по одному чи по декілька разом. Складнішими є рецептори зору, зібрані в сітківці ока та підсилені додатковими структурами на кшталт зіниці, повік і кришталика, або рецептори слуху та рівноваги у внутрішньому вусі.

Друге значення слова «рецептор» — білок, здатний взаємодіяти з фізичним чи хімічним процесом або об’єктом. Часто такі білки знаходяться на периферії клітини, де вона стикається із зовнішнім світом — на поверхні клітинної мембрани. Саме про такі рецептори йтиметься далі, бо ж за них «нобеля» й дали.

Читайте також: Визначний тиждень

Скільки в нас органів чуття? Людина має органи зору, слуху, смаку, нюху й дотику, або шкірного чуття. Насправді є й шостий орган — рівноваги, зміни у відчутті якої дуже активно сприймає мозок, особливо коли вони пов’язані з надмірним прискоренням або дією алкоголю. Крім того, шкіра, а саме її нервові закінчення, здатна сприймати сигнали різної якості — фізіологи кажуть «різної модальності». До цих модальностей належать відчуття дотику й тиску (механорецепція або пропріоцепція), відчуття теплого чи холодного (терморецепція), больове відчуття (ноцицепція). Кожному типу або модальності відчуттів відповідає свій орган-рецептор.

У клітинах органа-рецептора виникає електричний рецепторний потенціал, який далі викликає появу більш сильного потенціалу дії (або нервового імпульсу). Цей потенціал швидко рухається відростком чутливого нейрона, а далі досягає спинного мозку. Там він передається через міжклітинний контакт, синапс, на наступний нейрон, який передає його ланцюгом убік головного мозку. У голові всі нервові імпульси від органів чуття, окрім нюхового, проходять через таламус. Таламус — це диспетчерська станція, яка очищає сигнал від дрібних шумів та передає в кору лише важливі, сильні сигнали. Звідти до кори головного мозку доходить закодована частотою нервових імпульсів інформація про силу кожного подразника. Різні ділянки кори відповідають за різні відчуття: наприклад, за сприйняття зорових образів відповідає потилична кора, а за слух — ділянка скроневої кори.

Отже, кожне відчуття виникає завдяки взаємодії органа-рецептора із зовнішнім сигналом, появі електричного сигналу, який «біжить» доцентровим нервовим ланцюгом й обробляється в таламусі та корі. Відповідальні за відчуття різних сигналів зони кори здебільшого були відомі ще в першій половині XX століття, анатомію провідних шляхів вивчили в той же період чи раніше. А ось механізми перетворення енергії зовнішніх впливів у електричні потенціали лишалися невідомими. Лише в середині минулого століття стало зрозуміло: коливання потенціалу на мембрані виникають внаслідок роботи особливих білків — іонних каналів.

На славлене запитання «коли підуть українські нобелівки?» є раціональна відповідь: коли суспільство зрозуміє необхідність розвитку науки саме тут, а не десь у далекій Каліфорнії, і поцікавиться, чого саме не вистачає нашим науковцям для світових дослідницьких рекордів

Іонні канали здатні тільки на одну роботу: коли їхні білкові ворота відчиняються, вони пропускають через мембрану потік іонів, тобто електричний струм. Коли ж ворота зачинені, то жодного струму немає. Але це й дозволяє їм бути унікальними рецепторами змін у навколишньому середовищі. Ворота можуть відчинятися у відповідь на маленькі сигнальні молекули, які рухаються всередині клітини та між клітинами, а також на маленькі зміни електричної напруги на мембрані. Залежні від електричних сигналів та від малих молекул іонні канали описали в середині XX століття. Проте білкові молекули, які забезпечують електричну відповідь на температурний і механічний сигнал, все ще не були визначені.

Наприкінці 1980-х років стало можливим дізнатися, які гени кодують інформацію про білки конкретних іонних каналів. Тоді виявилося, що натрієві, кальцієві й калієві канали, які відповідальні за формування нервових імпульсів та м’язових потенціалів дії, є однією великою надродиною генів. До іншої надродини віднесли іонні канали, ворота яких відчиняються після зв’язування з малими молекулами — наприклад, нейромедіаторами на кшталт норадреналіну, дофаміну чи глутамінової кислоти. Але рецепторів температури серед них не виявилося. Пошук за хоч трохи схожими генетичними послідовностями, які збирав у базу даних міжнародний проєкт «Геном людини», теж не дав результату. І тоді в групі Девіда Джуліуса з’явилася ідея. Було точно відомо, що нервові закінчення, чутливі до гарячого, можна активувати додаванням пекучої речовини з перцю чилі — капсаїцину. Імовірно, білок, який зв’язується з капсаїцином, і реагує на гаряче. Треба тільки його знайти в тих нейронах, які реагують на гаряче й перець. Голка в стогу сіна.

На той момент генетична інженерія володіла досить клопітким способом дізнатися, які з пари десятків тисяч генів активні в конкретних клітинах. Потрібно було зібрати матричну РНК, яка копіюється клітиною з активних генів, скопіювати її знову у вигляді компліментарної ДНК та вставити в штучні генетичні конструкції. З колекцією таких конструкцій, «бібліотекою ДНК», можна працювати. Одна за одною такі ДНК вводилися в спеціальну клітинну лінію, де не було великої кількості іонних каналів. З них клітини зчитували РНК та синтезували певний білок. А дослідники тим часом наносили крапельку капсаїцину на окремі клітини, очікуючи побачити кальцієвий струм, що заходить у клітину через невідомий іонний канал. Сотні експериментів — і успіх! Штучна конструкція з ДНК призвела до появи кальцієвого струму. Тепер цей ген був «прочитаний» — представлений у вигляді послідовності літер-нуклеотидів. Найближчим його родичем у геномі ссавців (зокрема людини) виявився ген TRP. Він був подібний до гена дрозофіли, мутація в якому викликає «транзієнтний рецепторний потенціал» (TRP, або ТРП) у зорових клітинах мух, тобто скорочену активацію при потраплянні світла на око замість довгої активності в нормального гена. Невдовзі відкрили й інші TRP-канали, зокрема холодовий і ментоловий рецептор, TRPM8, з групи «меластатинових». Про визначення конкретного гена майже одночасно в березні 2002 року рапортували групи Джуліуса та Патапутяна.

Читайте також: За «емпіричний внесок в економіку праці». Стали відомі всі лауреати цьогорічної Нобелівської премії

Механорецептори в ссавців знайшли ще пізніше. Їх не виявилося серед TRP-каналів, хоча чимало окремих генів і білків розглядалися кандидатами в ці рецептори. Рецептори дотику були відомі в бактерій, але споріднені гени в ядерних організмах займалися чимось іншим. Разом із тим, більшість клітин організму людини та інших ссавців реагують на доторкання тоненькою голочкою, пропускаючи невеликий струм. У групі Ардема Патапутяна почали шукати клітинну лінію, де такі струми були б найбільшими та виникали в кожної клітини. Зупинилися на одній з ліній, що походить із пухлини миші, нейробластоми. Методи молекулярної біології дозволили виявити 72 мембранні білки, що присутні в цих клітинах. Тоді за допомогою ще однієї техніки, «замовчування генів» (gene silencing), ці гени почали «вимикати» один за одним. Той ген, при вимкненні якого зникав струм від дотику голкою, і був механорецептором. У такий спосіб знайшли великий мембранний білок, який назвали «п’єзо» від грецького слова, що означає «тиск». Іонний канал назвали Piezo1. Уже за допомогою аналізу подібних генів у базах даних знайшли споріднений білок Piezo2, який відповідає за відчуття дотику в наших нервових закінченнях.

Чи досліджують рецептори температури та дотику українські науковці? Українська нейрофізіологічна й біофізична школа бере свої першооснови від праць Василя Чаговця, який ще на початку XX століття зрозумів, що електричний потенціал на мембрані клітини виникає завдяки різному розподілу іонів кальцію, натрію, калію та хлору, а також Данила Воронцова, який вивчав тонкі механізми іонних струмів у нервах та м’язах. Учень Воронцова Платон Костюк в епоху дослідження електричних властивостей поодиноких клітин зміг разом зі співробітниками вперше описати різноманітні кальцієві струми в тілі нервової клітини. До того вважалося, що іонні канали — калієві та натрієві — наявні переважно у відростку — аксоні нейрона. Тих кальцієвих каналів відкрили чимало, зокрема таких, що реагують на різні зміни потенціалу: не тільки великі, але й малі. Крім того, відкриття іонних каналів, які активуються кислотою та молекулою АТФ, зробили учні Костюка. Цікавість до рецепторів гарячого й холодного з’явилася і в українських науковців, тож відразу після відкриття розпочалися численні дослідження цих каналів.

Читайте також: Нобелівка й гендерна рівність

Важливим центром вивчення стало французьке місто Лілль, де працювала лабораторія на чолі з двома випускниками Інституту фізіології НАН України Наталією Преварською та Романом Скримою. Вони вивчали залучення цих каналів до онкологічних захворювань, зокрема статевої системи. Співпрацювала з ними й лабораторія Ярослава Шуби, співробітники якої того часу розглядали активність цих механізмів у чутливих нейронах, а також у статевій і сечовипускальній системі. Серед молодих науковців, залучених до цієї тематики, були Артем Кондрацький, Ксенія Гулак, Біжан Шаропов та інші. Останнім часом лабораторія досліджує і Piezo-канали. Больовими рецепторами займалися в лабораторії Нани Войтенко, а спектром наявних TRP-каналів ванілоїдного ряду — в лабораторії Максима Сторожука. Ще одним лідером досліджень TRP-каналів є виходець з Інституту фізіології, професор Белфастського університету, а нині завідувач кафедри біофізики в Інституті біології та медицини Київського університету Олександр Жолос.

Автор цієї статті є співавтором трьох невеликих наукових публікацій, присвячених TRP-каналам. Разом із колегами ми вивчали наявність холодового рецептора в сім’явивідних протоках щурів (він там наявний) та в сечовому міхурі (там його досить мало). Остання праця була присвячена молекулярно-біологічному дослідженню ванілоїдних рецепторів у окремих клітинах головного мозку щурів. Усі згадані дослідження проводили у 2000–2010-х роках, невдовзі після відкриттів Джуліуса й Патапутяна, що свідчить про участь українських науковців у розвитку важливих для світової науки тем. А на славлене запитання «коли підуть українські нобелівки?» є раціональна відповідь: коли суспільство зрозуміє необхідність розвитку науки саме тут, а не десь у далекій Каліфорнії, і поцікавиться, чого саме не вистачає нашим науковцям для світових дослідницьких рекордів. 

98