04-10-2021
L’Assemblea del Nobel al Karolinska Institutet
ha deciso oggi di premiare
il Premio Nobel 2021 Medicina
congiuntamente a
David Julius e Ardem Patapoutian
per le loro scoperte di recettori per la temperatura e il tatto
La nostra capacità di percepire il calore, il freddo e il tatto è essenziale per la sopravvivenza e sostiene la nostra interazione con il mondo che ci circonda. Nella nostra vita quotidiana diamo per scontate queste sensazioni, ma come vengono attivati gli impulsi nervosi in modo che la temperatura e la pressione possano essere percepite? Questa domanda è stata risolta dai vincitori del Premio Nobel di quest’anno.
David Julius ha utilizzato la capsaicina, un composto pungente dei peperoncini che induce una sensazione di bruciore, per identificare un sensore nelle terminazioni nervose della pelle che risponde al calore. Ardem Patapoutian ha utilizzato cellule sensibili alla pressione per scoprire una nuova classe di sensori che rispondono a stimoli meccanici nella pelle e negli organi interni. Queste scoperte rivoluzionarie hanno avviato intense attività di ricerca che hanno portato a un rapido aumento della nostra comprensione di come il nostro sistema nervoso percepisce il calore, il freddo e gli stimoli meccanici. I vincitori hanno identificato i collegamenti mancanti critici nella nostra comprensione della complessa interazione tra i nostri sensi e l’ambiente.
Nobel 2021 medicina: Come percepiamo il mondo?
Uno dei grandi misteri che l’umanità deve affrontare è la domanda su come percepiamo il nostro ambiente. I meccanismi alla base dei nostri sensi hanno stimolato la nostra curiosità per migliaia di anni, ad esempio, come la luce viene rilevata dagli occhi, come le onde sonore influenzano le nostre orecchie interne e come diversi composti chimici interagiscono con i recettori nel naso e nella bocca generando odore e gusto . . Abbiamo anche altri modi per percepire il mondo che ci circonda. Immagina di camminare a piedi nudi su un prato in una calda giornata estiva. Puoi sentire il calore del sole, la carezza del vento e i singoli fili d’erba sotto i tuoi piedi. Queste impressioni di temperatura, tatto e movimento sono essenziali per il nostro adattamento all’ambiente in costante mutamento.
Da Cartesio ad oggi
Nel 17° secolo, il filosofo René Descartes ha immaginato dei fili che collegano diverse parti della pelle con il cervello. In questo modo, un piede che tocca una fiamma libera invierebbe un segnale meccanico al cervello (Figura 1). Le scoperte in seguito hanno rivelato l’esistenza di neuroni sensoriali specializzati che registrano i cambiamenti nel nostro ambiente. Joseph Erlanger e Herbert Gasser ricevettero il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1944 per la loro scoperta di diversi tipi di fibre nervose sensoriali che reagiscono a stimoli distinti, ad esempio nelle risposte al tocco doloroso e non doloroso.
Da allora, è stato dimostrato che le cellule nervose sono altamente specializzate per rilevare e trasdurre diversi tipi di stimoli, consentendo una percezione sfumata di ciò che ci circonda. Per esempio, la nostra capacità di sentire le differenze nella trama delle superfici attraverso la punta delle dita, o la nostra capacità di discernere sia il calore piacevole che il calore doloroso.
Prima delle scoperte di David Julius e Ardem Patapoutian, la nostra comprensione di come il sistema nervoso percepisce e interpreta il nostro ambiente conteneva ancora una domanda fondamentale irrisolta: in che modo la temperatura e gli stimoli meccanici vengono convertiti in impulsi elettrici nel sistema nervoso?
Renè Cartesio
Figura 1 Illustrazione raffigurante come il filosofo René Descartes ha immaginato come il calore invia segnali meccanici al cervello.
nobel 2021 medicina: La scienza si scalda!
Nell’ultima parte degli anni ’90, David Julius dell’Università della California, San Francisco, USA, ha visto la possibilità di grandi progressi analizzando come il composto chimico capsaicina provoca la sensazione di bruciore che proviamo quando entriamo in contatto con i peperoncini. La capsaicina era già nota per attivare le cellule nervose causando sensazioni di dolore, ma come questa sostanza chimica esercitasse effettivamente questa funzione era un enigma irrisolto.
Julius ed i suoi collaboratori hanno creato una libreria di milioni di frammenti di DNA corrispondenti a geni espressi nei neuroni sensoriali che possono reagire al dolore, al calore e al tatto. Julius e colleghi hanno ipotizzato che la libreria includesse un frammento di DNA che codifica per la proteina in grado di reagire alla capsaicina. Hanno espresso i singoli geni di questa raccolta in cellule in coltura che normalmente non reagiscono alla capsaicina.
Dopo una laboriosa ricerca, è stato identificato un singolo gene in grado di rendere le cellule sensibili alla capsaicina (Figura 2). Il gene per il rilevamento della capsaicina era stato trovato! Ulteriori esperimenti hanno rivelato che il gene identificato codificava una nuova proteina del canale ionico e questo recettore della capsaicina recentemente scoperto è stato successivamente chiamato TRPV1. Quando Julius ha studiato la capacità della proteina di rispondere al calore, si è reso conto di aver scoperto un recettore sensibile al calore che si attiva a temperature percepite come dolorose (Figura 2).
Il lavoro di David Julius
Figura 2 David Julius ha utilizzato la capsaicina del peperoncino per identificare il TRPV1, un canale ionico attivato dal calore doloroso. Sono stati identificati ulteriori canali ionici correlati e ora comprendiamo quanto sia diverso come diverse temperature possono indurre segnali elettrici nel sistema nervoso.
La scoperta di TRPV1 è stata un’importante svolta che ha aperto la strada allo svelamento di ulteriori recettori di rilevamento della temperatura. Indipendentemente l’uno dall’altro, sia David Julius che Ardem Patapoutian hanno utilizzato la sostanza chimica mentolo per identificare il TRPM8, un recettore che si è dimostrato attivato dal freddo. Ulteriori canali ionici relativi a TRPV1 e TRPM8 sono stati identificati e si è scoperto che sono attivati da un intervallo di diverse temperature. Molti laboratori hanno portato avanti programmi di ricerca per studiare i ruoli di questi canali nella sensazione termica utilizzando topi geneticamente manipolati privi di questi geni appena scoperti. La scoperta del TRPV1 da parte di David Julius è stata la svolta che ci ha permesso di capire come le differenze di temperatura possono indurre segnali elettrici nel sistema nervoso.
nobel 2021 medicina: Ricerca sotto pressione!
Mentre i meccanismi per la sensazione della temperatura si stavano svolgendo, non era chiaro come gli stimoli meccanici potessero essere convertiti nei nostri sensi del tatto e della pressione. I ricercatori avevano precedentemente trovato sensori meccanici nei batteri, ma i meccanismi alla base del tocco nei vertebrati erano rimasti sconosciuti. Ardem Patapoutian, lavorando presso Scripps Research a La Jolla, California, USA, desiderava identificare i recettori sfuggenti attivati da stimoli meccanici.
Patapoutian e i suoi collaboratori hanno identificato per la prima volta una linea cellulare che emetteva un segnale elettrico misurabile quando le singole cellule venivano colpite con una micropipetta. Si presumeva che il recettore attivato dalla forza meccanica fosse un canale ionico e in una fase successiva sono stati identificati 72 geni candidati che codificano per possibili recettori. Questi geni sono stati inattivati uno per uno per scoprire il gene responsabile della meccanosensibilità nelle cellule studiate. Dopo un’ardua ricerca, Patapoutian ei suoi collaboratori sono riusciti a identificare un singolo gene il cui silenziamento ha reso le cellule insensibili ai colpi con la micropipetta. Era stato scoperto un nuovo e del tutto sconosciuto canale ionico meccanosensibile cui era stato dato il nome Piezo1, dal vocabolo greco per pressione (í; píesi). Grazie alla sua somiglianza con Piezo1, è stato scoperto un secondo gene chiamato Piezo2. È stato scoperto che i neuroni sensoriali esprimono livelli elevati di Piezo2 e ulteriori studi hanno stabilito con fermezza che Piezo1 e Piezo2 sono canali ionici attivati direttamente dall’esercizio della pressione sulle membrane cellulari (Figura 3).
Cellule meccanosensibili
Figura 3 Patapoutian ha utilizzato cellule meccanosensibili in coltura per identificare uno ione canale attivato da forza meccanica. Dopo un lavoro scrupoloso, Piezo1 è stato
individuato. Sulla base della sua somiglianza con Piezo1, è stato trovato un secondo canale ionico (Piezo2).
La svolta di Patapoutian ha portato a una serie di articoli del suo e di altri gruppi, che dimostrano che il canale ionico Piezo2 è essenziale per il senso del tatto. Inoltre, è stato dimostrato che Piezo2 svolge un ruolo chiave nel rilevamento di importanza critica della posizione e del movimento del corpo, noto come propriocezione. In un ulteriore lavoro, è stato dimostrato che i canali Piezo1 e Piezo2 regolano ulteriori importanti processi fisiologici tra cui la pressione sanguigna, la respirazione e il controllo della vescica urinaria.
Ha tutto un senso!
Le scoperte rivoluzionarie dei canali TRPV1, TRPM8 e Piezo da parte dei vincitori del Premio Nobel di quest’anno ci hanno permesso di capire come il calore, il freddo e la forza meccanica possono innescare gli impulsi nervosi che ci consentono di percepire e adattarci al mondo che ci circonda. I canali TRP sono centrali per la nostra capacità di percepire la temperatura. Il canale Piezo2 ci conferisce il senso del tatto e la capacità di sentire la posizione e il movimento delle parti del nostro corpo. I canali TRP e Piezo contribuiscono anche a numerose funzioni fisiologiche aggiuntive che dipendono dal rilevamento della temperatura o da stimoli meccanici. L’intensa ricerca in corso originata dalle scoperte assegnate al Premio Nobel di quest’anno si concentra sulla delucidazione delle loro funzioni in una varietà di processi fisiologici. Questa conoscenza viene utilizzata per sviluppare trattamenti per un’ampia gamma di condizioni patologiche, incluso il dolore cronico (Figura 4).
Le scoperte dei premi Nobel di quest’anno
Figura 4 Le scoperte seminali dei vincitori del Premio Nobel di quest’anno hanno spiegato come il calore, il freddo e il tatto possono avviare segnali nel nostro sistema nervoso. I canali ionici identificati sono importanti per molti processi fisiologici e condizioni patologiche.