Giải Nobel Y sinh 2021 vinh danh những khám phá về các thụ thể đối với nhiệt độ và xúc giác

Dịch giả: Nguyễn Thị Mộng Duyên, TS. Trần Thị Phương Anh, Bộ môn Kỹ Thuật Hoá Học, Trường Đại học Nha Trang. (anhttp@ntu.edu.vn)

Giải Nobel Y sinh 2021 được trao cho David Julius và Ardem Patapoutian vì những khám phá của họ về các thụ thể đối với nhiệt độ và xúc giác

Khả năng cảm nhận nóng, lạnh và xúc giác là tối cần thiết cho sự tồn tại và làm nền tảng cho các tương tác của chúng ta với thế giới xung quanh. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta coi những cảm giác này là đương nhiên, nhưng làm thế nào các xung thần kinh được kích hoạt để từ đó có thể cảm nhận được nhiệt độ và áp suất? Câu hỏi này đã được giải đáp bởi những nhà khoa học đoạt giải Nobel năm nay.

David Julius sử dụng capsaicin, một hợp chất cay từ ớt gây ra cảm giác nóng để xác định “một cảm biến” ở các đầu dây thần kinh da đáp ứng với nhiệt. Ardem Patapoutian sử dụng các tế bào nhạy cảm với áp lực để khám phá ra một nhóm các “cảm biến” mới đáp ứng với các kích thích cơ học trong da và nội tạng. Những phát hiện đột phá này đã khởi đầu cho nhiều nghiên cứu nhằm gia tăng sự hiểu biết của con người về cách hệ thần kinh cảm nhận các kích thích nóng, lạnh và cơ học. David Julius và Ardem Patapoutian đã xác định được các mối liên hệ quan trọng còn thiếu trong hiểu biết của chúng ta về sự tác động lẫn nhau phức tạp giữa các giác quan và môi trường.

Làm thế nào để chúng ta nhận thức thế giới?

Một trong những bí ẩn lớn mà nhân loại phải đối mặt là câu hỏi làm thế nào chúng ta cảm nhận môi trường xung quanh. Các cơ chế bên dưới các giác quan đã khơi dậy sự tò mò của chúng ta hàng nghìn năm, chẳng hạn như cách mắt phát hiện ánh sáng, cách sóng âm ảnh hưởng đến tai và cách các hợp chất hóa học khác nhau tương tác với các thụ thể trong mũi và miệng tạo ra mùi và vị. Chúng ta cũng có những cách khác để nhận thức thế giới xung quanh. Hãy tưởng tượng bạn đang đi chân trần trên bãi cỏ vào một ngày hè nóng nực. Bạn có thể cảm nhận được sức nóng của mặt trời, sự vuốt ve của gió và những ngọn cỏ bên dưới chân bạn. Những ấn tượng về nhiệt độ, va chạm và chuyển động này tối quan trọng cho sự thích nghi của con người với môi trường xung quanh luôn thay đổi.

Vào thế kỷ 17, nhà triết học René Descartes đã hình dung ra những sợi chỉ kết nối các bộ phận khác nhau của da với não bộ. Bằng cách này, một bàn chân trần chạm vào ngọn lửa sẽ gửi một tín hiệu cơ học đến não (Hình 1). Các khám phá sau đó đã tiết lộ sự tồn tại của các tế bào thần kinh cảm giác chuyên biệt ghi lại những thay đổi trong môi trường. Joseph Erlanger và Herbert Gasser đã nhận được giải Nobel Y sinh vào năm 1944 vì khám phá ra các loại sợi thần kinh cảm giác khác nhau đáp ứng với các kích thích khác nhau, ví dụ đáp ứng với sự va chạm đau đớn và không đau đớn. Kể từ đó, người ta đã chứng minh rằng các tế bào thần kinh có tính chuyên biệt cao nhằm phát hiện và chuyển tải các loại kích thích khác nhau, cho phép nhận thức sắc thái về môi trường xung quanh chúng ta; ví dụ khả năng của chúng ta cảm nhận sự khác biệt về kết cấu của bề mặt thông qua các đầu ngón tay, hoặc khả năng phân biệt cả độ ấm dễ chịu và nhiệt độ gây đau.

Trước khám phá của David Julius và Ardem Patapoutian, hiểu biết của chúng ta về cách hệ thần kinh cảm nhận và diễn tả môi trường vẫn còn một câu hỏi cơ bản chưa được giải đáp: nhiệt độ và các kích thích cơ học được chuyển thành xung điện trong hệ thần kinh như thế nào?

Sự nóng lên của khoa học!

Vào cuối những năm 1990, David Julius tại Đại học California, San Francisco, Hoa Kỳ, đạt được những tiến bộ lớn bằng cách phân tích cách hợp chất hóa học capsaicin gây ra cảm giác nóng rát mà ta cảm thấy khi tiếp xúc với ớt. Capsaicin được biết đến là chất kích hoạt các tế bào thần kinh gây cảm giác đau, nhưng cơ chế hoạt động của capsaicin vẫn là một câu hỏi chưa được giải đáp. Julius và đồng nghiệp đã tạo ra một thư viện gồm hàng triệu đoạn DNA tương ứng với các gen được biểu hiện trong các tế bào thần kinh cảm giác có thể đáp ứng với đau, nóng và xúc giác. Họ giả thuyết rằng thư viện này sẽ chứa một đoạn DNA mã hóa protein có khả năng phản ứng với capsaicin. Các gen riêng lẻ từ thư viện nàyđược biểu hiện trong các tế bào nuôi cấy bình thường không phản ứng với capsaicin. Sau quá trình nghiên cứu vất vả, họ đã xác định được một gen duy nhất có thể làm cho các tế bào nhạy cảm với capsaicin (Hình 2). Gen “cảm nhận” capsaicin đã được tìm thấy! Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy gen này mã hóa một protein kênh ion mới và thụ thể capsaicin mới được phát hiện này sau đó được đặt tên là TRPV1. Khi Julius nghiên cứu khả năng protein này đáp ứng với nhiệt, ông nhận ra rằng mình đã phát hiện ra một thụ thể cảm nhận nhiệt khi kích hoạt ở nhiệt độ được cho là gây đau đớn (Hình 2).

Việc phát hiện ra TRPV1 là một bước đột phá lớn dẫn đường cho việc khám phá các thụ thể cảm nhận nhiệt độ khác. Dù độc lập với nhau, cả David Julius và Ardem Patapoutian đều sử dụng menthol để xác định TRPM8, một thụ thể được kích hoạt bởi nhiệt độ lạnh. Các kênh ion khác liên quan đến TRPV1 và TRPM8 đã được xác định và được kích hoạt ở các nhiệt độ khác nhau. Nhiều phòng thí nghiệm đã thực hiện các nghiên cứu để khảo sát vai trò của các kênh này trong việc cảm nhận nhiệt bằng cách sử dụng những con chuột thiếu các gen mới được phát hiện này. Việc phát hiện ra TRPV1 của David Julius là bước đột phá cho phép chúng ta hiểu được sự khác biệt về nhiệt độ có thể tạo ra tín hiệu điện trong hệ thần kinh như thế nào.

Cuộc chạy đua trong giới khoa học!

Trong khi các cơ chế tạo ra sự cảm nhận nhiệt độ đang được giải đáp, vẫn chưa rõ bằng cách nào các kích thích cơ học có thể được chuyển đổi thành các cảm nhận về va chạm và áp lực. Các nhà nghiên cứu trước đây đã tìm thấy những cảm biến cơ học ở vi khuẩn nhưng cơ chế cảm ứng cơ bản ở động vật có xương sống vẫn chưa được biết đến. Ardem Patapoutian làm việc tại Scripps Research ở La Jolla, California, Hoa Kỳ, mong muốn xác định các thụ thể được kích hoạt bởi các kích thích cơ học.

Patapoutian và cộng sự lần đầu tiên xác định một dòng tế bào phát ra tín hiệu điện có thể đo được khi các tế bào riêng lẻ được chọc bằng micropipette. Người ta giả định rằng thụ thể được kích hoạt bởi lực cơ học là một kênh ion và trong bước tiếp theo, 72 gen ứng cử viên mã hóa các thụ thể này đã được xác định. Các gen này lần lượt bị bất hoạt để phát hiện ra gen chịu trách nhiệm về tính nhạy cảm cơ học trong các tế bào được nghiên cứu. Sau cuộc tìm kiếm gian khổ, nhóm đã thành công trong việc xác định một gen sau khi “im lặng” sẽ khiến các tế bào trở nên “không nhạy cảm” với việc chọc dò bằng micropipette. Một kênh ion cảm ứng cơ học mới và hoàn toàn chưa được biết đến đã được phát hiện và được đặt tên là Piezo1, theo từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là áp suất (í; píesi). Gen thứ hai Piezo2 được phát hiện do có sự tương đồng với gen Piezol. Các tế bào thần kinh cảm giác được nhận thấy có biểu hiện mức Piezo2 cao và các nghiên cứu sâu hơn đã khẳng định chắc chắn rằng Piezol và Piezo2 là các kênh ion được kích hoạt trực tiếp khi tạo áp lực lên màng tế bào (Hình 3).

Bước đột phá của Patapoutian đã dẫn đến một loạt các bài báo của ông và các nhóm khác chứng minh rằng kênh ion Piezo2 rất cần thiết cho xúc giác. Hơn nữa, Piezo2 đã được chứng minh là đóng một vai trò hết sức cần thiết trong việc cảm nhận vị trí và chuyển động cực kì quan trọng của cơ thể, được gọi là cảm giác động học (proprioception). Trong nghiên cứu sâu hơn, các kênh Piezo1 và Piezo2 đã được chứng minh là điều chỉnh các quá trình sinh lý quan trọng bổ sung bao gồm huyết áp, hô hấp và kiểm soát bàng quang tiết niệu.

Tất cả đều có ý nghĩa!

Những phát hiện đột phá về kênh TRPV1, TRPM8 và Piezo của những người đoạt giải Nobel năm nay đã giúp chúng ta hiểu được cách thức mà nóng, lạnh và lực cơ học có thể khởi tạo các xung thần kinh cho phép chúng ta nhận thức và thích nghi với thế giới xung quanh. Các kênh TRP là trung tâm cho khả năng chúng ta cảm nhận nhiệt độ. Kênh Piezo2 cung cấp cho chúng ta xúc giác và khả năng cảm nhận vị trí và chuyển động của các bộ phận cơ thể. Các kênh TRP và Piezo cũng góp phần vào nhiều chức năng sinh lý khác phụ thuộc vào nhiệt độ cảm nhận hoặc các kích thích cơ học. Nghiên cứu chuyên sâu khởi nguồn từ những khám phá được trao giải Nobel năm nay tập trung làm sáng tỏ chức năng của các kênh ion này trong nhiều quá trình sinh lý khác nhau. Kiến thức này đang được sử dụng để phát triển các phương pháp điều trị cho loại bệnh, ví dụ như đau mãn tính (Hình 4).

Dịch từ nguồn: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/