Rezeptoren für Temperatur und Berührung

David Julius und Ardem Patapoutian erhalten den Medizinnobelpreis

Für ihre Entdeckungen von Rezeptoren für Temperatur und Berührung erhalten David Julius und Ardem Patapoutian den diesjährigen Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

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 wahr, aber wie werden Nervenimpulse ausgelöst, damit Temperatur und Druck wahrgenommen werden können? Diese Frage haben die diesjährigen Nobelpreisträger gelöst. David Julius verwendete Capsaicin, eine scharfe Verbindung aus Chilischoten, die ein brennendes Gefühl hervorruft, um einen Sensor in den Nervenenden der Haut zu identifizieren, der auf Hitze reagiert. Der in Beirut geborene Ardem Patapoutian nutzte druckempfindliche Zellen, um eine neue Klasse von Sensoren zu entdecken, die auf mechanische Reize in der Haut und inneren Organe reagieren.

Wie nehmen wir die Umwelt wahr?

Eines der großen Geheimnisse der Menschheit ist seit langem die Frage, wie wir unsere Umwelt wahrnehmen. Die Mechanismen, die unseren Sinnen zugrunde liegen, haben unsere Neugier seit Jahrtausenden geweckt, zum Beispiel wie Licht von den Augen wahrgenommen wird, wie Schallwellen unser Innenohr beeinflussen und wie verschiedene chemische Verbindungen mit Rezeptoren in Nase und Mund interagieren und Geruch und Geschmack erzeugen. Wir haben auch andere Möglichkeiten, die Welt um uns herum wahrzunehmen. Die Eindrücke von Temperatur, Berührung und Bewegung sind essenziell für unsere Anpassung an die sich ständig verändernde Umgebung.

So erhielten Joseph Erlanger und Herbert Gasser 1944 den Nobelpreis für Physiologie oder 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. Dies ermöglicht eine differenzierte Wahrnehmung unserer Umgebung, 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.

Temperatur und mechanische Reize im Blick

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? 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 ausübte, war ein ungelöstes Rätsel. Julius und seine Mitarbeiter erstellten eine Bibliothek von Millionen von DNA-Fragmenten, die mit Genen korrespondieren, die in den sensorischen Neuronen exprimiert werden, die auf Schmerz, Hitze und Berührung reagieren können. Julius und seine Kollegen stellten die Hypothese auf, dass die Bibliothek ein DNA-Fragment enthalten würde, das für das Protein kodiert, das auf Capsaicin reagieren kann. Sie exprimierten einzelne Gene aus dieser Sammlung in kultivierten Zellen, die normalerweise nicht auf Capsaicin reagieren. Nach einer mühsamen Suche wurde ein einzelnes Gen identifiziert, das in der Lage war, Zellen Capsaicin-sensitiv zu machen. Das Gen für Capsaicinsensorik war gefunden! Weitere Experimente ergaben, dass das identifizierte Gen für ein neues Ionenkanalprotein kodiert. Dieser wurde später TRPV1 genannt. Als Julius die Fähigkeit des Proteins untersuchte, auf Hitze zu reagieren, stellte er fest, dass er einen wärmeempfindlichen Rezeptor entdeckt hatte, der bei als schmerzhaft empfundenen Temperaturen aktiviert wird.

Unabhängig voneinander nutzten sowohl David Julius als auch Ardem Patapoutian die chemische Substanz Menthol, um 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. Viele Wissenschaftler forschten daraufhin, um die Rolle dieser Kanäle bei der Wärmeempfindung zu untersuchen, indem sie genetisch manipulierte Mäuse verwendeten, denen diese neu entdeckten Gene fehlten. Die Entdeckung von TRPV1 durch David Julius war der Durchbruch, der es ermöglichte zu verstehen, wie Temperaturunterschiede elektrische Signale im Nervensystem induzieren können.

Mechanosensitiver Ionenkanal

Während sich die Mechanismen des Temperaturempfindens offenbarten, 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 Gene identifiziert, die für mögliche Rezeptoren kodieren. Diese Gene wurden nacheinander inaktiviert, um das für die Mechanosensitivität verantwortliche Gen in den untersuchten Zellen zu entdecken. Nach einer mühsamen Suche gelang es Patapoutian und seinen Mitarbeitern, ein einzelnes Gen zu identifizieren, dessen Stilllegung die Zellen unempfindlich gegen das Stochern mit der Mikropipette machte. Damit wurde ein neuer und völlig unbekannter mechanosensitiver Ionenkanal entdeckt und erhielt den Namen Piezo1, nach dem griechischen Wort für Druck (í; píesi). 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 die Ausübung von Druck auf die Zellmembranen aktiviert werden.

Quelle: Nobelpreiskomitee