Οι επιστήμονες αποκαλύπτουν τη δομή του αισθητήρα πόνου
Το φλογερό τσίμπημα μιας πιπεριάς habanero, η θερμότητα μιας τσαγιέρας που βράζει, το βασανιστικό δάγκωμα της ταραντούλας τίγρης της γης, ακόμα και η αυξημένη ευαισθησία στην αφή μετά από ηλιακό έγκαυμα — όλες αυτές οι οδυνηρές αισθήσεις γίνονται δυνατές από μια εξελιγμένη μοριακή μηχανή που λειτουργεί στις νευρικές ίνες στο δέρμα και τη γλώσσα.
Γνωστή ως TRPV1, η πρωτεΐνη ανακαλύφθηκε πριν από περισσότερα από 15 χρόνια. Αν και οι επιστήμονες γνώριζαν ότι μπορούσε να αισθανθεί τη θερμότητα και διάφορες χημικές ουσίες, το πώς ακριβώς λειτουργούσε παρέμενε μυστήριο.
Τον Δεκέμβριο, ωστόσο, οι επιστήμονες ανέφεραν ότι δημιούργησαν για πρώτη φορά μια εικόνα υψηλής ανάλυσης της δομής της πρωτεΐνης. Όπως το σχέδιο ενός κινητήρα, αυτές οι πληροφορίες θα βοηθήσουν τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς η μικροσκοπική συσκευή μπορεί να ανταποκριθεί σε μια τόσο μεγάλη σειρά σημάτων - από τη θερμοκρασία έως τις τοξίνες - και τον ρόλο που παίζει τόσο στον οξύ όσο και στον χρόνιο πόνο. Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν τελικά να οδηγήσουν σε νέα παυσίπονα, ενδεχομένως χωρίς τις ενοχλητικές παρενέργειες των οπιούχων.
Ο David Julius ξεκίνησε το κυνήγι του TRPV1 πριν από 20 χρόνια. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν για δεκαετίες την καψαϊκίνη, το μόριο που δίνει στις πιπεριές τσίλι τη θερμότητά τους, για να μελετήσουν τον πόνο. Αλλά λίγα ήταν γνωστά για το πώς προκάλεσε αυτή την αίσθηση. Άλλοι επιστήμονες είχαν ήδη προσπαθήσει και απέτυχαν να βρουν το μόριο που συνδέεται με την καψαϊκίνη, γνωστό ως υποδοχέας της, αλλά αυτό μόνο δελέασε τον Julius να αναλάβει την πρόκληση. «Οι άνθρωποι το έψαχναν για πολλά χρόνια και πήρε μια μυθική λάμψη», είπε ο Julius, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. "Τι είναι αυτό το άπιαστο πράγμα;"
Αυτός και η ομάδα του ανέφεραν ότι πέτυχαν το τζάκποτ το 1997, εντοπίζοντας ένα μέλος μιας οικογένειας υποδοχέων γνωστών ως διαύλων ιόντων TRP (παροδικό δυναμικό υποδοχέα), που είχαν μελετηθεί ελάχιστα στα θηλαστικά. «Ήταν κάπως αινιγματικοί», είπε ο Τζούλιους, του οποίου το γραφείο στο UCSF είναι διάσπαρτο με δώρα με θέμα την καψαϊκίνη, όπως γραβάτες πιπεριάς τσίλι. Έκτοτε, το εργαστήριό του πρωτοστάτησε στη μελέτη του TRPV1 και ορισμένων από τα ξαδέρφια του, τα οποία μπορούν να ανιχνεύσουν το κρύο καθώς και φυσικά προϊόντα όπως η μενθόλη, το σκόρδο και το wasabi.
Ένα φυλασσόμενο πέρασμα
Τα θηλαστικά έχουν σχεδόν 30 διαφορετικά κανάλια TRP διάσπαρτα σε διάφορα μέρη του σώματος. Έξι έως εννέα εμπλέκονται στην ανίχνευση της θερμοκρασίας. Το TRPV1 είναι μακράν το καλύτερα μελετημένο. Οι επιστήμονες μαθαίνουν περισσότερα για τα άλλα κανάλια TRP, αλλά η λειτουργία πολλών παραμένει άγνωστη.
Το μόριο TRPV1, που βρίσκεται στις νευρικές ίνες που κατακλύζουν το δέρμα και τη γλώσσα, σχηματίζει ένα κανάλι που λειτουργεί σαν ένα κλειστό πέρασμα μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του νευρώνα. Όταν δαγκώνετε μια πιπεριά τσίλι, η καψαϊκίνη συνδέεται με το κανάλι και ανοίγει την πύλη. Φορτισμένα σωματίδια ορμούν στο κύτταρο, πυροδοτώντας ηλεκτρική δραστηριότητα που στέλνει μηνύματα πόνου στον εγκέφαλο. Το ίδιο συμβαίνει όταν πίνετε ένα φλιτζάνι ζεματιστό τσάι, ενώ η ίδια η θερμότητα ανοίγει την πύλη.
Αλλά το TRPV1 δεν αισθάνεται απλώς χημικά ή θερμοκρασία. Λειτουργεί σαν ένας μικροσκοπικός υπολογιστής, συλλέγοντας πληροφορίες για το περιβάλλον για να μας προστατεύσει από περαιτέρω τραυματισμούς. Μπορεί να κάνει ορισμένες αισθήσεις να νιώθουμε πιο οδυνηρές, προειδοποιώντας μας να προσέχουμε. Οι επιστήμονες γνωρίζουν από προηγούμενα πειράματα ότι το κανάλι μπορεί να λειτουργήσει σαν ένα κουμπί έντασης για να ενισχύσει τον πόνο. π.χ. το λούζοντάς το με καψαϊκίνη, μειώνει το όριο θερμότητας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το ζεστό τσάι είναι ακόμα πιο ζεστό μετά την κατανάλωση μιας πιπεριάς τσίλι. Παρόμοιο αποτέλεσμα έχει και οι βλάβες στο δέρμα, όπως το ηλιακό έγκαυμα. Απελευθερώνει φλεγμονώδη μόρια που δρουν όπως η καψαϊκίνη, κάνοντας το κανάλι πιο εύκολο να ανοίξει και το δέρμα υπερευαίσθητο σε πρόσθετους κινδύνους, όπως θερμότητα ή χημικές ουσίες.
Η πρόσφατα επιλυθείσα δομή βοηθά να εξηγηθεί πώς το κανάλι αλλάζει σχήμα ως απόκριση σε διαφορετικές χημικές ουσίες, αποκαλύπτοντας ένα εξελιγμένο σύστημα για το πώς οι διαφορετικές σκανδάλες ανοίγουν την πύλη. Αντί για μια απλή είσοδο, το κανάλι TRPV1 προστατεύεται από δύο σετ θυρών, παρόμοιες με μια διπλή κλειδαριά, σύμφωνα με τα νέα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature τον Δεκέμβριο. Το κανάλι έχει δύο πύλες — η μία βλέπει προς το εσωτερικό του κελιού και μία προς το εξωτερικό. Και τα δύο πρέπει να ανοίξουν για να ρέουν ιόντα.
Ορισμένοι χημικοί παράγοντες ενεργοποίησης, όπως η καψαϊκίνη ή τα φλεγμονώδη μόρια που απελευθερώνει το ανοσοποιητικό σύστημα μετά από έναν τραυματισμό, φαίνεται να λειτουργούν όπως το WD-40, ενθαρρύνοντας τις πύλες να ανοίγουν πιο συχνά. Άλλες, όπως οι τοξίνες της αράχνης, λειτουργούν περισσότερο σαν στοπ για να τις κρατήσουν ανοιχτές. Σε μία από τις νέες μελέτες, οι ερευνητές κατέγραψαν εικόνες του TRPV1 σε δράση χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικούς παράγοντες ενεργοποίησης:καψαϊκίνη, ένα μόριο που μοιάζει με καψαϊκίνη από παχύφυτα και μια τοξίνη αράχνης. Βρήκαν ότι η καψαϊκίνη και το παρόμοιο μόριο συνδέονταν και τα δύο κοντά στην εσωτερική πύλη, ενώ η τοξίνη της αράχνης συνδέθηκε κοντά στην εξωτερική πύλη. Η έκθεση σε αυτές τις χημικές ουσίες αυξάνει την πιθανότητα να είναι ανοιχτές και οι δύο πύλες, γεγονός που την καθιστά πιο ευαίσθητη στη θερμότητα ή σε άλλες χημικές ουσίες.
«Είναι ένα καταπληκτικό τεχνικό επίτευγμα», είπε ο Ardem Patapoutian, νευροεπιστήμονας στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps στο Σαν Ντιέγκο, ο οποίος δεν συμμετείχε στις μελέτες. "Είναι ένα σημαντικό εύρημα για όποιον εργάζεται στη δομή των πρωτεϊνών της μεμβράνης."
Μία από τις πιο ασυνήθιστες ιδιότητες του TRPV1 είναι η ικανότητά του να αισθάνεται τη θερμότητα - είναι ένα από τα λίγα μοριακά κανάλια τόσο καλά συντονισμένα στη θερμοκρασία. Αν και φαίνεται προφανές εκ των υστέρων, πριν η ομάδα του Julius ανακαλύψει τον υποδοχέα καψαϊκίνης, κανείς δεν είχε προβλέψει ότι το ίδιο μόριο θα ανταποκρινόταν στις πιπεριές τσίλι και στις υψηλές θερμοκρασίες. "Οι περισσότεροι υποδοχείς που γνωρίζουμε ενεργοποιούνται από χημικές ουσίες όπως μικρά μόρια και πρωτεΐνες", δήλωσε ο Patapoutian, ο οποίος επίσης συνδέεται με το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes. "Εδώ, έχουμε μόρια που είναι εξαίσιοι αισθητήρες θερμοκρασίας — λειτουργούν ως θερμόμετρα του σώματος."
Οι επιστήμονες προσπαθούν τώρα να καταλάβουν πώς η θερμότητα αλλάζει το σχήμα του καναλιού - γνωρίζουν ήδη ότι οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να το ανοίξουν, αλλά δεν ξέρουν ακριβώς πώς. Θέλουν επίσης να εξετάσουν πώς τα μόρια που παράγονται από το σώμα μας ως απόκριση σε τραυματισμό επηρεάζουν τον εξελιγμένο αισθητήρα και, με τη σειρά τους, την αντίληψή μας για τον πόνο.
Δομική επιτυχία
Το εργαστήριο Julius περιλαμβάνει έναν εκλεκτικό συνδυασμό διαγραμμάτων χημείας και φωτογραφιών ζώων που έχουν μελετήσει οι μαθητές του, όπως φίδια και νυχτερίδες βαμπίρ. Αυτά τα ζώα αντικατοπτρίζουν μία από τις μεθόδους που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές για να καταλάβουν πώς λειτουργεί το κανάλι. Η σύγκριση της αλληλουχίας DNA των υποδοχέων καψαϊκίνης από διάφορα ζώα μπορεί να εντοπίσει ορισμένα από τα πιο σημαντικά μέρη του διαύλου. Τα πουλιά, για παράδειγμα, δεν μπορούν να ανιχνεύσουν τη χημική ουσία, επομένως η ανάλυση των διαφορών στις αλληλουχίες των πτηνών και των ανθρώπων μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό των τμημάτων που είναι ζωτικής σημασίας για την αίσθηση της πικάντικης ένωσης. Η εισαγωγή γενετικών σφαλμάτων που αλλάζουν την ικανότητα της πρωτεΐνης να δεσμεύει την καψαϊκίνη ή άλλες χημικές ουσίες υπογραμμίζει επίσης περιοχές που είναι απαραίτητες για διαφορετικές λειτουργίες. Αλλά αυτή η προσέγγιση δεν αποκαλύπτει πώς μοιάζει το κανάλι ή πώς αλλάζει όταν συνδέεται με την καψαϊκίνη — μια τέτοια εικόνα είχε αποδειχθεί άπιαστη.
Πριν από περίπου έξι χρόνια, ο Erhu Cao, ένας από τους μεταδιδακτορικούς ερευνητές του Julius, ξεκίνησε να αποκρυπτογραφήσει τη δομή του καναλιού. Ο Cao δοκίμασε αρχικά την πιο κοινή τεχνική για τη μελέτη της αρχιτεκτονικής σύνθετων πρωτεϊνών, που ονομάζεται κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Ωστόσο, αυτό απέτυχε. Ο Julius εικάζει ότι η ίδια ιδιότητα που δίνει στο κανάλι τη δύναμή του - την ικανότητά του να αλλάζει σχήμα ως απόκριση σε διαφορετικούς ερεθισμούς - απέτρεψε τις προσπάθειες να ληφθεί μια σαφής εικόνα του. Ευτυχώς, μόνο δύο ορόφους πάνω από το εργαστήριο Julius, ο βιοφυσικός Yifan Cheng είχε τελειοποιήσει μια νεότερη τεχνική που ονομάζεται κρυομικροσκοπία ηλεκτρονίων ενός σωματιδίου. Οι πρόσφατες εξελίξεις του Cheng στην τεχνολογία απεικόνισης πέτυχαν την ανάλυση που απαιτείται για τη σύλληψη μιας πρωτεΐνης μεμβράνης με ατομική λεπτομέρεια. «Το να βλέπεις τις αρχικές [εικόνες] με και χωρίς την τοξίνη συνδεδεμένη σε αυτήν ήταν εκπληκτικά όμορφο», είπε ο Τζούλιους. "Μας δίνει πολλές πληροφορίες για τα δομικά σημαντικά μέρη του καναλιού, όπως ποια μέρη κινούνται καθώς περνάει τη μετάβαση."
Για τα περισσότερα κανάλια μεμβράνης, οι επιστήμονες έχουν περιοριστεί στη μελέτη της δομής σε μία διαμόρφωση - ανοιχτή ή κλειστή. Αλλά χρησιμοποιώντας τη νέα τεχνική, οι ερευνητές κατέλαβαν τρεις καταστάσεις:ανοιχτή, κλειστή και εν μέρει ανοιχτή. «Μπορούμε να έχουμε την πρώτη άποψη για το πού συνδέονται οι ενώσεις από τις πιπεριές τσίλι», δήλωσε η Rachelle Gaudet, δομική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που δεν συμμετείχε στις μελέτες.
Με αυτήν την τεχνική, οι επιστήμονες μπορούν τώρα να εξερευνήσουν άλλα κανάλια TRP και πώς οι παραλλαγές στο σχήμα επηρεάζουν αυτό που κάνουν. «Κάθε κανάλι TRP έχει ένα μεγάλο τμήμα μέσα στο κελί και αυτά ποικίλλουν πολύ μεταξύ διαφορετικών τύπων καναλιών TRP», είπε ο Gaudet. "Πιθανώς μεγάλη ποικιλομορφία στη λειτουργία προέρχεται από αυτά τα ενδοκυτταρικά τμήματα."
Θα πρέπει επίσης να είναι δυνατή η μελέτη της αρχιτεκτονικής πολλών άλλων μοριακών μηχανών σε ατομικό επίπεδο. "Πιστεύω ότι θα ανοίξει μια τεράστια ευκαιρία για τη μελέτη άλλων πρωτεϊνών μεμβράνης", είπε ο Cheng.
Όταν ο πόνος παραπλανάται
Η καψαϊκίνη φαίνεται να παρακάμπτει τη γραμμή μεταξύ πόνου, ευχαρίστησης και ανακούφισης. Η ένωση βρίσκεται σε μια σειρά από καυτερές σάλτσες που ονομάζονται παιχνιδιάρικα - το "πηγμένο αίμα του δράκου" κατατάσσεται στην τρίτη θέση στη λίστα με τις πιο καυτερές σάλτσες του ChilliWorld - καθώς και σε αλοιφές για τον πόνο χωρίς συνταγή. Ο Julius θεωρεί ότι μετά την ενεργοποίηση μιας αρχικής αίσθησης καψίματος, η καψαϊκίνη μπορεί να έχει το μακροπρόθεσμο αποτέλεσμα της απευαισθητοποίησης του καναλιού TRPV1, καθώς και της νευρικής ίνας γενικότερα, σιγώντας αυτά τα νεύρα που ανιχνεύουν τον πόνο.
Η ανάπτυξη παυσίπονων που στοχεύουν στον έλεγχο του TRPV1 και άλλων υποδοχέων TRP, που βρίσκονται στο περιφερικό νευρικό μας σύστημα, θα μπορούσε να προσφέρει μια καλύτερη εναλλακτική λύση στα οπιούχα, παυσίπονα που είναι αποτελεσματικά αλλά επηρεάζουν τη συνολική νευρική δραστηριότητα και μπορούν να επηρεάσουν την αναπνοή, την εγρήγορση και άλλες βασικές λειτουργίες. "Όσο πιο κοντά βρίσκεστε στην περιφέρεια, τόσο περισσότερες πιθανότητες έχετε να μεσολαβήσετε με έναν συγκεκριμένο τρόπο για τον πόνο", χωρίς επικίνδυνες παρενέργειες, είπε ο Julius.
Ωστόσο, οι ενώσεις θα μπορούσαν να έχουν τα δικά τους μειονεκτήματα. Ορισμένοι πρώτοι υποψήφιοι έχουν δείξει προβληματικές παρενέργειες κατά τη διάρκεια δοκιμών σε ανθρώπους. Μερικοί άνθρωποι που έπαιρναν τα φάρμακα ανέπτυξαν ασυνήθιστα υψηλές θερμοκρασίες ή δεν μπορούσαν να ανιχνεύσουν σωστά την επικίνδυνη θερμότητα, όπως το ζεματισμένο νερό. Η πρόσφατα επιλυθείσα δομή θα βοηθήσει τους κατασκευαστές φαρμάκων να βρουν χημικές ουσίες που μπλοκάρουν τα φλεγμονώδη σήματα που ευαισθητοποιούν το κανάλι, αλλά δεν έχουν καμία επίδραση στους αισθητήρες θερμότητας. «Μόλις κατανοήσετε τη δομή, μπορείτε να σκεφτείτε να κάνετε περισσότερο σχεδιασμό φαρμάκων με βάση τη δομή», είπε ο Τζούλιους. "Ο πόνος έχει κάνει ένα άλμα στη μοριακή εποχή."
