2021年ノーベル生理学・医学賞：身体の熱さ、冷たさ、触覚の科学的説明

著者 |ファンプ

2021年10月4日スウェーデン現地時間午前11時30分（北京時間10月4日午後7時30分）、ノーベル賞委員会は、温度と触覚の受容器を発見した功績により、2021年の生理学・医学賞をアメリカの生理学者デビッド・ジュリーズ氏とアルメニア系アメリカ人の神経科学者アルデム・パタプーティアン氏に授与すると発表した。

私たちは日常生活の中で、熱さ、冷たさ、触感といった感覚を当然のこととして捉えています。しかし、人類の生存にとって非常に重要なこれらの現象には、科学的な説明がありません。神経系はどのようにして私たちの環境を認識し、解釈するのでしょうか?温度と機械的刺激は神経系でどのように電気インパルスに変換されるのでしょうか?温度や圧力を感知するための神経インパルスはどのように発生するのでしょうか?今年のノーベル賞受賞者のデイビッド・ジュリス氏とアルデム・パタプーティアン氏は、これらの根本的な疑問に対する答えを提示した。

デビッド・ジュリーズ氏はカプサイシンを使って、熱に反応する皮膚の神経終末のセンサーを特定しました。アルデム・パタプーティアン氏は圧力感受性細胞を利用して、皮膚や内臓の機械的刺激に反応する新しい種類の受容体を発見した。これらの画期的な発見により、数多くの新たな研究が生まれ、神経系が熱、寒さ、機械的刺激を感知する仕組みについての理解が急速に進みました。受賞者2人は、私たちの感覚と環境の複雑な相互作用を理解する上で、欠けている重要なリンクを特定しました。

カプサイシンによる温度受容体の同定

カプサイシンが神経細胞を活性化し、痛みの感覚を引き起こすことは 1990 年代後半から知られていましたが、この化学物質は具体的にどのようにその作用をするのでしょうか?デビッド・ジュリーズは、重要な謎を解くことに希望を見出しています。彼はチームを率いて、痛み、熱、触覚に反応する感覚ニューロンで発現する遺伝子に対応する数百万の DNA 断片のデータベースを作成した。彼らは、そのライブラリにはカプサイシンに反応するタンパク質をコードする DNA 断片が含まれているだろうと考えました。

彼らは、通常はカプサイシンに反応しない培養細胞内で、ライブラリからの個々の遺伝子を発現させた。苦労して調べた結果、細胞をカプサイシンに敏感にすることができる単一の遺伝子が特定されました。カプサイシン感知遺伝子が発見されたのです。さらなる実験により、この遺伝子が新しいイオンチャネルタンパク質をコードしていることが示されました。新たに発見されたカプサイシン受容体は後に TRPV1 と命名されました。ジュリーズは、温度が痛みを感じるレベルまで上昇すると活性化する熱感知受容体を発見したことに気づきました。

今では、異なる温度が神経系に電気信号を引き起こす仕組みがわかっています。

TRPV1 の発見は大きな進歩であり、他の温度感受性受容体の発見への道を開きました。デビッド・ジュリアスとアルデム・パタプーティアンはそれぞれ独立してメントールを使用し、寒さによって活性化される受容体TRPM8を特定しました。 TRPV1 および TRPM8 に関連する追加のイオンチャネルが発見され、さまざまな温度によって活性化されることがわかりました。

本当のプレッシャー

私たちがどのように「圧力」を感じるかについては、研究者たちは脊椎動物の神経メカニズムを発見していないが、細菌の機械的受容体を発見した。スクリプス研究所のアルデム・パタポティアン氏がこの研究に貢献した。彼と彼の協力者は、細胞がマイクロニードルで刺されると電気信号を発する細胞株を初めて特定した。研究者らは、機械的な外力によって刺激される受容体はイオンチャネルであると推測し、その受容体をコードする候補遺伝子を72個選別した。同様に、多くの研究を経て、アルデム・パタポティアン氏はついに、抑制されると細胞がマイクロニードルの刺入に対して無反応になる単一の遺伝子を特定した。

機械的圧力に敏感な細胞を培養することで、機械的な力によって活性化できる新しいイオンチャネルが発見され、Piezo1 と名付けられました。 「ピエゾ」はギリシャ語で「圧力」を意味します。その後、研究者らは、感覚ニューロンで高レベルで発現する別の遺伝子、Piezo2を発見した。彼らは、これも細胞膜表面への圧力によって活性化されるイオンチャネルであると判断しました。その後の研究で、Piezo2 は体の姿勢や動きを感知するためにも重要であることがわかりました。 Piezo1 と Piezo2 は、血圧、呼吸、膀胱制御などの生理学的プロセスにおいて重要な役割を果たすことも示されています。

ノーベル賞の公式プレスリリースでは、「すべてが理にかなっている！」という表現が使われました。 David Julies と Ardem Patapoutian の作品について説明します。 TRPV1、TRPM8、ピエゾチャネルに関する彼らの画期的な発見により、熱、冷気、機械的な力がどのように神経インパルスを発生させるかが理解できるようになり、私たちは周囲の世界を感知し、それに適応できるようになりました。これら 2 人の科学者の発見から生まれた膨大な研究は、さまざまな生理学的プロセスにおけるこれらのイオンチャネルの機能の解明に焦点を当てており、慢性疼痛を含むさまざまな疾患の治療法の開発に役立っています。

デビッド・ジュリアスはアメリカの生理学者であり、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の教授です。

ジュリアスは 1955 年生まれ。1977 年に MIT を卒業し、博士号を取得しました。 1984年にカリフォルニア大学バークレー校で博士号を取得し、1989年にコロンビア大学で博士研究員課程を修了しました。

ジュリアスは、2000 年に第 1 回 Perl-UNC 神経科学賞、2010 年にショー賞を受賞しました。 2020年生命科学ブレークスルー賞、2020年カブリ神経科学賞（アルデム・パタポティアンと共著）。

アルデム・パタプーティアンはアルメニア系アメリカ人の分子生物学者、神経科学者です。

パタプーティアン氏は1967年にレバノンのベイルートで生まれ、1986年に米国に移住した。1990年にカリフォルニア大学ロサンゼルス校で細胞生物学および発生生物学の学士号を取得し、1996年にカリフォルニア工科大学で生物学の博士号を取得した。博士研究員時代には、カリフォルニア大学サンフランシスコ校でルイス・F・ライヒャルト氏とともに研究を行った。パタプーティアン氏は2000年にスクリプス研究所の助教授となり、2014年からはハワード・ヒューズ医学研究所（HHMI）の研究員を務めている。

パタプーティアン氏は、2016年にアメリカ科学振興協会フェロー、2017年に米国科学アカデミーフェロー、2020年にアメリカ芸術科学アカデミーフェローに選出されました。さらに、パタプーティアン氏は、2017年のW・オールデン・スペンサー賞、2019年のローゼンスティール賞、2020年の神経科学におけるカブリ賞、BBVA財団生物学/生物医学における知識の最先端賞を受賞しました。