Nobelpreis für Physiologie/Medizin 2021

Unsere Fähigkeit, Wärme, Kälte und Berührungen zu spüren, ist überlebenswichtig und unterstützt unsere Interaktion mit der Welt um uns herum. In unserem täglichen Leben nehmen wir diese Empfindungen als selbstverständlich hin, aber wie werden Nervenimpulse ausgelöst, damit Temperatur und Druck wahrgenommen werden können? Diese Frage haben die diesjährigen Nobelpreisträger gelöst, indem sie kritische fehlende Verbindungen in unserem Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen unseren Sinnen und der Umwelt identifiziert haben.

Wie nehmen wir die Welt wahr?

Joseph Erlanger und Herbert Gasser erhielten 1944 den Nobelpreis für Physiologie bzw. Medizin für ihre Entdeckung verschiedener Arten von sensorischen Nervenfasern, die auf unterschiedliche Reize reagieren, beispielsweise in der Reaktion auf schmerzhafte und nicht schmerzhafte Berührungen. Seitdem hat sich gezeigt, dass Nervenzellen hochspezialisiert sind, unterschiedliche Reize zu erkennen und weiterzuleiten, was eine differenzierte Wahrnehmung unserer Umgebung ermöglicht; zum Beispiel unsere Fähigkeit, Unterschiede in der Textur von Oberflächen durch unsere Fingerspitzen zu spüren, oder unsere Fähigkeit, sowohl angenehme Wärme als auch schmerzhafte Hitze zu erkennen.

Vor den Entdeckungen von David Julius und Ardem Patapoutian enthielt unser Verständnis davon, wie das Nervensystem unsere Umwelt wahrnimmt und interpretiert, noch eine grundlegende ungelöste Frage: Wie werden Temperatur und mechanische Reize im Nervensystem in elektrische Impulse umgewandelt?

Die Wissenschaft heizt ein

In der zweiten Hälfte der 1990er-Jahre analysierte David Julius von der University of California, San Francisco, USA, wie die chemische Verbindung Capsaicin das brennende Gefühl verursacht, das wir verspüren, wenn wir mit Chilischoten in Kontakt kommen. Es war bereits bekannt, dass Capsaicin Nervenzellen aktiviert und Schmerzempfindungen verursacht, aber wie diese Chemikalie diese Funktion tatsächlich ausübt, war ein ungelöstes Rätsel.

Julius und seine Mitarbeiter verwendeten eine cDNA-Bibliothek aus sensorischen Neuronen in einem funktionellen Screen, um nach einem Gen zu suchen, das Zellen, die normalerweise nicht darauf ansprechen, Capsaicin-Empfindlichkeit verleihen könnte. Der Screen identifizierte eine cDNA, die einen neuen Ionenkanal (jetzt „transient receptor potential cation channel subfamily V member 1“ [TRPV1] genannt) codiert, der zur Familie der transienten Rezeptorpotenzial-Ionenkanäle gehört. Als Julius die Fähigkeit des Proteins,auf Hitze zu reagieren, untersuchte, stellte er fest, dass er einen wärmeempfindlichen Rezeptor entdeckt hatte, der bei als schmerzhaft empfundenen Temperaturen aktiviert wird.

Die Entdeckung von TRPV1 war ein wichtiger Durchbruch, der den Weg zur Entschlüsselung zusätzlicher temperaturempfindlicher Rezeptoren ebnete. Unabhängig voneinander nutzten David Julius und Ardem Patapoutian die chemische Substanz Menthol, um „transient receptor potential cation channel subfamily M (melastatin) member 8“ (TRPM8) zu identifizieren, einen Rezeptor, der nachweislich durch Kälte aktiviert wird. Zusätzliche Ionenkanäle im Zusammenhang mit TRPV1 und TRPM8 wurden identifiziert und durch verschiedene Temperaturen aktiviert.

Forschung unter Druck

Während sich die Mechanismen des Temperaturempfindens entfalteten, blieb unklar, wie mechanische Reize in unseren Tast- und Drucksinn umgewandelt werden könnten. Forscher hatten zuvor mechanische Sensoren in Bakterien gefunden, aber die Mechanismen, die der Berührung bei Wirbeltieren zugrunde liegen, blieben unbekannt.

Ardem Patapoutian, der bei Scripps Research in La Jolla, Kalifornien, USA, arbeitet, wollte die schwer fassbaren Rezeptoren identifizieren, die durch mechanische Reize aktiviert werden.

Patapoutian und seine Mitarbeiter identifizierten zuerst eine Zelllinie, die ein messbares elektrisches Signal abgab, wenn einzelne Zellen mit einer Mikropipette angestochen wurden. Es wurde angenommen, dass der durch mechanische Kraft aktivierte Rezeptor ein Ionenkanal ist. In einem nächsten Schritt wurden 72 Kandidatengene identifiziert, die für mögliche Rezeptoren codieren. Diese Gene wurden nacheinander inaktiviert, um das für die Mechanosensitivität verantwortliche Gen in den untersuchten Zellen zu entdecken. Schließlich gelang es Patapoutian und seinen Mitarbeitern, ein einzelnes Gen zu identifizieren, dessen Stilllegung die Zellen unempfindlich gegen das Stochern mit der Mikropipette machte. Ein neuer und völlig unbekannter mechanosensitiver Ionenkanal wurde entdeckt und erhielt den Namen Piezo1, nach dem griechischen Wort für Druck. Durch seine Ähnlichkeit mit Piezo1 wurde ein zweites Gen entdeckt und Piezo2 genannt. Es wurde festgestellt, dass sensorische Neuronen ein hohes Maß an Piezo2 exprimieren, und weitere Studien bestätigten, dass Piezo1 und Piezo2 Ionenkanäle sind, die direkt durch Druck auf die Zellmembranen aktiviert werden.

Der Durchbruch von Patapoutian führte zu einer Reihe von Arbeiten seiner und anderer Gruppen, die zeigten, dass der Piezo2-Ionenkanal für den Tastsinn unerlässlich ist. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Piezo2 eine Schlüsselrolle bei der kritischen Wahrnehmung der Körperposition und -bewegung, der Propriozeption, spielt und dass Piezo1- und Piezo2-Kanäle weitere wichtige physiologische Prozesse wie Blutdruck, Atmung und Harnblasenkontrolle regulieren.

Es macht alles Sinn

Die bahnbrechenden Entdeckungen der TRPV1-, TRPM8- und Piezo-Kanäle durch die diesjährigen Nobelpreisträger haben es ermöglicht, zu verstehen, wie Hitze, Kälte und mechanische Kraft Nervenimpulse auslösen können, die es uns ermöglichen, die Welt um uns herum wahrzunehmen und sich an sie anzupassen. Ausgehend von den diesjährigen nobelpreisgekrönten Entdeckungen konzentriert sich die intensive laufende Forschung auf die Aufklärung ihrer Funktionen in verschiedenen physiologischen Prozessen. Dieses Wissen wird heute genutzt, um Behandlungsmethoden für eine Vielzahl von Krankheitsbildern zu entwickeln, einschließlich chronischer Schmerzen.

Quelle:

Pressemeldung der Nobelversammlung des Karolinska-Instituts vom 4. Oktober 2021