因?yàn)橹Z獎(jiǎng)，這些小鼠將爆紅！

北京時(shí)間10月4日下午17：30，2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)公布，獲獎(jiǎng)的是兩位美國科學(xué)家 David Julius 和 Ardem Patapoutian，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了人體對(duì)溫度和觸覺的受體（receptor）。正如諾獎(jiǎng)委員會(huì)所說的那樣，我們感知熱、冷和觸覺的能力對(duì)生存至關(guān)重要，這是我們與周圍世界互動(dòng)的基礎(chǔ)。

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圖1.?2021諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主


我們?nèi)绾胃兄澜?/strong>

感覺是我們與生俱來的能力，人們?cè)缇土?xí)以為常，但是科學(xué)家們一直在探索感覺背后的機(jī)理。早在十七世紀(jì)，法國科學(xué)家笛卡爾就提出皮膚的不同部位上有線條與大腦相連。例如，一只腳接觸了明火，就會(huì)向大腦發(fā)送一個(gè)信號(hào)，這是對(duì)感覺最初的探討。之后的發(fā)現(xiàn)把這些線條定義為感覺神經(jīng)元，專門記錄環(huán)境的變化。現(xiàn)如今，科學(xué)家們已經(jīng)明白神經(jīng)細(xì)胞在感受和傳導(dǎo)不同的刺激方面是高度特化的，例如，指尖輕觸可以感受出衣服的不同質(zhì)地......

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圖2. 笛卡爾的假說

但是，還有2個(gè)未解之謎一直困擾著我們，神經(jīng)系統(tǒng)是如何傳導(dǎo)溫度刺激和機(jī)械刺激的？今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，為大家揭曉了這個(gè)謎題。

辣出來的諾獎(jiǎng)

今年 65 歲的 Julius，是美國加州大學(xué)舊金山分校的教授。他研究的主要是溫度和疼痛受體，揭示我們?nèi)绾胃惺芾渑突瘜W(xué)物質(zhì)的刺激。從神經(jīng)層面來看，我們的大多數(shù)感官都在進(jìn)行「接受刺激 – 傳遞信號(hào) – 大腦接收并作出反應(yīng)」，這一神經(jīng)環(huán)路少不了受體的參與。上世紀(jì)90年代末，Julius 教授開始埋頭研究辣椒素如何引起我們的灼熱和疼痛感，他跟同事創(chuàng)建了一個(gè)有幾百萬 DNA 片段的數(shù)據(jù)庫，最終在感受疼痛的神經(jīng)元中識(shí)別出受體分子 TRPV1。
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圖3. David Julius
TRPV1 是位于神經(jīng)細(xì)胞膜上的一類離子通道，能被高溫和辣椒素激活打開，這也解釋了為什么你每次吃辣總是滿頭大汗，并熱出火辣辣的疼。除了 TRPV1，Julius 和 Patapoutian 后來都各自通過化學(xué)物質(zhì)薄荷醇，識(shí)別出受體分子 TRPM8——它會(huì)對(duì)薄荷醇和低溫產(chǎn)生反應(yīng)，比如說，能讓你吃薄荷糖的時(shí)候感受到「透心涼」。TRPV1 的發(fā)現(xiàn)被視為一項(xiàng)重大突破，為其他溫度受體的發(fā)現(xiàn)開辟了道路，也讓人們意識(shí)到不同的溫度能如何誘導(dǎo)神經(jīng)信號(hào)。
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圖4. 溫度刺激原理
隨著研究手段的進(jìn)步，科學(xué)家使用TRPV1基因修飾小鼠進(jìn)行了大量的后續(xù)研究。例如今年四月Nature Metabolism刊發(fā)了來自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu-Hua Tseng團(tuán)隊(duì)的研究成果。他們鑒定了一種新的產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞祖細(xì)胞——Trpv1陽性血管平滑肌細(xì)胞(Trpv1+?VSM)。為了檢測(cè)Trpv1+細(xì)胞在體內(nèi)的成脂潛能，作者使用Trpv1-Cre:mTmG小鼠模型進(jìn)行了示蹤研究。考慮到Trpv1在脂肪細(xì)胞中表達(dá)的缺失和GFP標(biāo)記的穩(wěn)定性，作者推斷，如果存在GFP標(biāo)記的脂肪細(xì)胞，那么這就意味著Trpv1+ VSM會(huì)分化為脂肪細(xì)胞。作者在Trpv1-Cre:mTmG小鼠BAT中檢測(cè)到了GFP和tdTomato熒光，發(fā)現(xiàn)棕色脂肪組織（BAT）中存在GFP標(biāo)記的脂肪細(xì)胞；在室溫飼養(yǎng)的Trpv1-Cre:mTmG 的小鼠的BAT中也檢測(cè)到了GFP和tdTomato熒光。同時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)Trpv1+祖細(xì)胞還參與了白色脂肪組織(WAT)中的白色脂肪細(xì)胞的形成。以上結(jié)果表明，Trpv1+脂肪細(xì)胞祖細(xì)胞可以形成成熟的脂肪細(xì)胞。
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圖5. TRPV1+祖細(xì)胞分化示意圖
除了與溫度相關(guān)的研究外，TRPV1在其他領(lǐng)域也有重要的作用。例如，今年發(fā)表在EMBO?Reports的一篇文章指出TRPV1可以維持阿爾茨海默病中的小膠質(zhì)細(xì)胞代謝。作者使用TRPV1-flox小鼠和Cx3Cr1-Cre小鼠進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)小鼠的冠狀腦切片進(jìn)行染色發(fā)現(xiàn)，特異性敲除了小膠質(zhì)細(xì)胞上TRPV1受體的APP/PS1小鼠海馬區(qū)域的Aβ積累顯著增加(圖5A和B)，ELISA檢測(cè)也顯示了相似的結(jié)果。并且TRPV1敲除小鼠皮質(zhì)的陽性神經(jīng)元的丟失也更為明顯(圖5F)，其自噬水平也顯著下降（H、G)。
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圖6. TRPV1缺失導(dǎo)致神經(jīng)元加速丟失
目前，以TRPV1為代表的TRP家族蛋白已經(jīng)在慢性疼痛、神經(jīng)疾病、腫瘤、皮膚病、心血管疾病、尿路疾病、以及罕見病等領(lǐng)域得到了廣泛的研究，并表現(xiàn)出了巨大的臨床價(jià)值。

疼出來的諾獎(jiǎng)

54 歲的 Patapoutian，是一位黎巴嫩裔的分子生物學(xué)家和神經(jīng)學(xué)家，在 1986 年移居美國，目前是斯克里普斯研究所的教授。Patapoutian 幾乎跟 Julius 同時(shí)開始研究人體觸覺。除了溫度受體，他決定尋找更有挑戰(zhàn)性的機(jī)械力受體。
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圖7.?Ardem Patapoutian
Patapoutian教授團(tuán)隊(duì)首先篩選出一種能夠在微針穿刺時(shí)釋放電信號(hào)的細(xì)胞系。他們推測(cè)響應(yīng)機(jī)械刺激的是一種離子通道，為了找到這個(gè)離子通道，Patapoutian教授對(duì)大量候選基因進(jìn)行挨個(gè)激活，最終發(fā)現(xiàn)第 72 號(hào)基因的缺失時(shí)，細(xì)胞不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。他們將這個(gè)受體被稱為命名 Piezo1——Piezo 在希臘語里是「壓力」的意思，后來他們又發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)相似受體 Piezo2。后續(xù)的研究進(jìn)一步證實(shí)了兩者都是離子通道，可以被細(xì)胞膜表面的壓力給激活。
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圖8.?機(jī)械刺激原理
Patapoutian教授的發(fā)現(xiàn)帶來了一系列的論文發(fā)表工作，他們證明了Piezo2離子通道對(duì)觸覺感受至關(guān)重要。另外，Piezo2對(duì)身體姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)的感受也非常關(guān)鍵。在未來的工作中，Piezo1和Piezo2還被證明對(duì)生理過程有很大作用，包括血壓、呼吸和膀胱控制等。
同樣的，基因修飾動(dòng)物模型大量應(yīng)該用在了Piezo1和Piezo2的后續(xù)研究中。例如中國航天員科研訓(xùn)練中心李英賢團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍團(tuán)隊(duì)利用Piezo1敲除小鼠研究發(fā)現(xiàn)了Piezo1介導(dǎo)成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的機(jī)械力敏感性及其在負(fù)荷依賴性骨形成中的重要作用，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊eLife上。
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圖9.? 不同狀態(tài)下Piezo1的表達(dá)與骨密度
對(duì)航天員骨密度恢復(fù)情況的跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，國際空間站上飛行6個(gè)月的航天員，大多數(shù)骨密度在三年后才恢復(fù)到飛行前水平。此外機(jī)械負(fù)荷的降低會(huì)引起骨代謝紊亂、骨微結(jié)構(gòu)退化及骨量流失，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)小鼠在敲除Piezo1后，出現(xiàn)嚴(yán)重的骨發(fā)育缺陷，成骨細(xì)胞功能顯著降低，這一癥狀與長期失重或臥床的癥狀類似，提示Piezo1可以作為治療航天失重和長期臥床導(dǎo)致的骨丟失新的靶點(diǎn)。

南模相關(guān)動(dòng)物模型

每一年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，往往能讓我們更好的了解人體的一些奧秘，同時(shí)也帶來一波新的科研浪潮。南模生物自主構(gòu)建了Trpv1、Trpm8、Piezo1、Piezo2等基因的多種修飾小鼠，可用于相關(guān)后續(xù)研究。模型詳細(xì)信息見下表：

基因
 編號(hào)
 簡稱
 構(gòu)建類型
 狀態(tài)
Trpv1 NM-CKO-200256 Trpv1-Flox 條件性敲除
 活體
NM-KO-210259 Trpv1-KO(2) 敲除 胚胎凍存
NM-KI-200139 Trpv1-IRES-Cre 敲入，Cre工具鼠
 活體
NR-KO-210135 Trpv1-KO(SD) 敲除 研發(fā)中
Trpm8 NM-KI-190126 Trpm8-2A-Cre 敲入，Cre工具鼠 胚胎凍存
NM-KI-190101 Trpm8-S966A 點(diǎn)突變
 胚胎凍存
Piezo1 NM-KI-18048 Piezo1-CreERT2 敲入，Cre工具鼠 活體
NM-CKO-200275 Piezo1-Flox 條件性敲除
 活體
Piezo2 NM-KO-190343 Piezo2-KO 敲除
 胚胎凍存
NM-CKO-200127 Piezo2-Flox 條件性敲除 活體

南模生物深耕基因編輯領(lǐng)域，提供全方位模式生物服務(wù)，包括基因修飾成品模型供應(yīng)、個(gè)性化模型定制、飼養(yǎng)繁育、表型分析、藥效評(píng)價(jià)等，滿足不同實(shí)驗(yàn)室需求。


Reference:

1、Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature 1997:389:816-824.

2、Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D. The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 1998:21:531-543.

3、Caterina MJ, Leffler A, Malmberg AB, Martin WJ, Trafton J, Petersen-Zeitz KR, Koltzenburg M, Basbaum AI, Julius D. Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science 2000:288:306-313

4、McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature 2002:416:52-58

5、Peier AM, Moqrich A, Hergarden AC, Reeve AJ, Andersson DA, Story GM, Earley TJ, Dragoni I, McIntyre P, Bevan S, Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell 2002:108:705-715

6、Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 2010:330: 55-60

7、Ranade SS, Woo SH, Dubin AE, Moshourab RA, Wetzel C, Petrus M, Mathur J, Bégay V, Coste B, Mainquist J, Wilson AJ, Francisco AG, Reddy K, Qiu Z, Wood JN, Lewin GR, Patapoutian A. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature 2014:516:121-125

8、Woo S-H, Lukacs V, de Nooij JC, Zaytseva D, Criddle CR, Francisco A, Jessell TM, Wilkinson KA, Patapoutian A. Piezo2 is the principal mechonotransduction channel for proprioception. Nature Neuroscience 2015:18:1756-1762

9、The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021, Retrieved October 4, 2021, from https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/press-medicineprize2021.pdf

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