我们如何感受世界？追问2021诺贝尔生理学或医学奖

导语 / Introduction
10月4日，2021年诺贝尔生理学或医学奖颁布，获得者为David Julius教授和Ardem Patapoutian教授，以表彰他们在“温度和触觉感受器”上做出的卓越贡献。
温度和触觉的感知对我们如何感受世界是如此重要，它们是我们感知世界并与周围世界进行互动的基础感知之一。David Julius利用辣椒素识别出皮肤神经末梢中对热有反应的感受器——TRP蛋白家族，而Ardem Patapoutian通过压力敏感性细胞发现了一类新型感受器——Piezo蛋白家族，它们可以对皮肤和体内器官中的机械刺激做出反应。这些突破性的发现让我们得以了解神经系统如何感知热、冷和机械刺激。正是David Julius和Ardem Patapoutian的研究，使得我们可以揭开环境感受和大脑神经冲动之间的联系，并为我们探索未来更多的疗法提供了可能性。
在TCCI举办的“追问研讨会·特别活动”上，我们邀请了上海交通大学医学院基础医学博士崔雯雯作为主持人，师从此次诺奖得主David Julius教授、哈佛医学院/霍华德休斯医学研究所博士后研究员高源；师从以钾离子通道的结构和功能研究获得2003年诺贝尔化学奖的Roderick MacKinnon教授、华中科技大学同济医学院教授郭雨松；浙江大学基础医学院副院长、教授，博导，浙江省杰出青年基金获得者杨巍；武汉大学生命科学学院细胞生物学系教授，博士生导师姚镜作为嘉宾，共同带领大家走进本次获得诺奖的研究。
能请各位老师介绍一下您的工作跟此次诺奖研究的关系，以及您所从事的研究工作是什么类型的吗？
高源：我目前是在哈佛医学院/霍华德休斯医学研究所做博士后研究员，导师是Tom Rapoport。我目前的工作主要与过氧化酶体（一种细胞器）的蛋白转运相关。我读博士期间师从David Julius老师和程亦凡老师。当时实验室已经发现了TRP通道，而我主要参与的是通过冷冻电镜技术去解析TRP通道的结构。最初，辣椒素受体（TRPV1）的结构解析出来的时候，是使用了一些去垢剂或类似功能的分子去稳定蛋白质，让它可以维持在溶液中，以便解析结构。但是我们所研究的膜蛋白，顾名思义，它是需要在生物膜里面才能发挥功能的，所以我当时的一个主要课题就是希望能在一个生物膜环境中解析辣椒素受体的结构。我们最后得到的结构很不错，分辨率比原来结构的更好，同时我们又在这个结构中发现了一些活性脂分子。这能很好地解释，辣椒素受体这一类TRP通道，它不仅受到像辣椒素这样来自环境的一些因子的刺激，同样会受到所处环境中这些活性脂分子的调控。
对于David获得今年的诺奖，我非常高兴也非常激动。其实，David在前些年已经斩获了很多奖项。在2018年的时候，我们觉得他获奖的可能性很大。这些年我们的这种盼望慢慢淡化了，但没想到诺奖委员会还是给了我们一个惊喜，选择他作为获奖者，我们觉得的的确确是实至名归的。
郭雨松：我博士后期间在Roderick MacKinnon实验室工作，他是2003年的诺贝尔化学奖得主。他解析了钾离子通道的晶体结构，然后通过这个晶体结构解释了钾离子通道是如何使得钾离子能够选择性地透过这个通道，而钠离子不能够通过。当时，这个结果是通过结构来解释功能的一个非常好的例子。我加入他的实验室是在2016年，也是Ardem Patapountian发现Piezo通道之后不久。那个时候我们就在想，这样一个新的能够感受机械力的通道，它的机制究竟是什么样的？
我们知道离子通道一般来说有不同的门控机制，比较常见的有电压门控、配体门控。比如说辣椒素受体（也就是TRPV1通道），辣椒素以配体的形式使得通道打开。而Piezo通道比较特别，它是以感受机械力作为门控的。而机械力是如何作用到通道上的，目前还没有很清晰的认识。当时我们希望能够通过结构得到答案，所以我在博士后期间的主要工作之一就是使用冷冻电镜技术来解析Piezo通道。我们得到了在去垢剂环境中的一个高分辨率结构，同时就像刚刚高源老师提到的，去垢剂中的结构并不能完全代表一个膜蛋白在天然磷脂环境中的情况。所以随后,我也一直在尝试解析Piezo通道在脂质体环境中的结构和相关的功能。
我尝试通过结构以及相关的生物物理学的研究，来探究Piezo通道的门控机制，以了解这样一个机械敏感通道是如何感受机械力的。2019年我通过与其他人合作，使用冷冻电镜的图像分析以及原子力显微镜，对磷脂环境中的Piezo通道进行实时成像，观察它在受力环境下如何实时地对力产生反应。这一系列实验验证了我们之前基于结构的一个假设，我们发现Piezo通道可能是通过曲率的变化来调控开关的。
今年诺奖是不是会颁发给Ardem Patapountian课题组，其实我之前并没有很大的期待。因为跟TRPV1通道还不太一样（TRPV1的研究结果比较早，1997年就已经发表了最开始发现的成果），Piezo通道是2010年才刚刚被发表，整个时间并不是很长，对于一个诺奖的成果来说还算比较快了。在这期间，这方面的研究蓬勃发展，从发现到现在已经有了非常多的研究，发现Piezo通道参与人体生理的很多方面。可能也是出于其在生理上的重要性，今年诺奖委员会决定把这个奖颁给Piezo通道的相关研究。所以说，有一点点惊喜但是也不算特别意外，跟 David Julius一样，Ardem Patapountian的成果也算是实至名归的。
杨巍：我从2001年开始做离子通道研究，早些年主要研究离子型的谷氨酸受体——NMDA受体的膜运输调控机制。2009年获得英国牛顿奖学金的资助，去英国利兹大学做了两年博士后研究。在这期间，我开始围绕TRP通道家族的一个分子——TRPM2通道展开研究。这个通道目前认为是一个氧化应激感受器，最近的研究发现它也可以被热激活，属于多模态门控离子通道。我回国以后，主要围绕它的门控机制及其介导神经系统疾病展开研究。我们最近一个工作也在解析TRPM2的结构，同时我比较感兴趣TRPM2通道跟疾病的关系，并明确其是否可以作为靶标来治疗一些疾病，所以也在围绕TRPM2通道做一些药物研发工作。我们希望能够围绕这个方向为一些重大疾病的干预提供一个新的靶标。
2014年我去加州戴维斯分校郑杰教授实验室做访问学者，那段时间我做了一些TRPV1门控机制的工作。主要参与了研究辣椒素是如何结合到TRPV1的跨膜区并激活通道，我们主要采用了计算和电生理的方法来解析辣椒素结合到口袋中并引起通道开放的作用机制。此外，基于TRPV1的热激活效应，我课题组也在开发一些操控神经元兴奋性的技术。
我很高兴看到今年的诺奖再次颁给了离子通道领域。离子通道是一个非常传统的领域，之前也有几位科学家获奖。比如刚才郭老师提到的Roderick MacKinnon，他因为解析了钾通道的结构在2003年获得了诺贝尔化学奖；同一年，Peter Agre因为发现了水通道被授予诺贝尔化学奖。再往前一点，也就是1991年，Erwin Neher和Bert Sakmann也拿到了诺贝尔生理学或医学奖，因为他们开发了膜片钳技术，能从分子层面记录离子通道的单通道功能。按照这个规律，差不多每隔十几年可能就会有做离子通道的科学家获得诺奖，所以我期望再过十几年，还会有从事离子通道的科学家获得这个奖项。
另外，我想说的是，大家不要误认为温度感知分子就只有TRPV1。其实有很多温度感知分子都可以感受温度，比如除了TRPV1，还有TRPV2、TRPV3以及TRPM2和TRPM3都可以感受高温，而TRPM8等则可以感受低温。另外，关于触觉，因为这一类主要是机械门控通道，也不是说Piezo能感受所有的机械刺激。触觉的感知非常复杂，Aderm他们的学术贡献在于是首次非常充分地证明了Piezo是一类可以感受触觉的离子通道，我相信后续肯定还会有其它的触觉相关离子通道被发现。
姚镜：我是武汉大学生命科学学院的姚镜，很荣幸能有机会跟大家讨论离子通道的相关的话题。我从本科时开始接触膜片钳和离子通道，至今有二十多年了。在硕士期间，我主要从事的是钙离子敏感和电压门控型的一类大电导的钾离子通道——BK通道的药物调节以及该通道失活特性方面的研究。从2005年去美国留学到2011年回国建立自己的实验室一直到现在，我的研究一直围绕着TRPV1通道进行，研究它的温度感受、酸感受，以及脱敏镇痛的机理。所以对于TRPV1的研究能够获得诺奖，我感到非常兴奋。
刚才杨巍老师谈到，TRPV1通道和温度感受密切相关，有一系列具有不同温度激活阈值的TRP通道，这些不同温度激活阈值的TRP通道组合在一起，才使得我们的机体能够感知到从冷到热一系列的温度变化。那么温度感受是怎么实现的？我们的机体感知外界的方式，实际上是，当受体感知到外界刺激时，它要进行能量转换，将机械能或其他能量变成电信号，然后通过电-化学-电的传导过程，最终将信息从感受器传递到我们的中枢。那么在受体级别，TRPV1通道它的温度感受究竟是怎样的？
离子通道的开放速率大概在毫秒量级，也就是千分之一秒的量级，但是目前适用于单细胞的温控设备特别匮乏。传统的方式是我们把溶液预加热，然后将溶液灌流到检测细胞的周围或者是用加热丝加热，但两者的升温速度都比较慢；另外还有一个办法是利用像PCR仪所使用的半导体加热，它的速度在秒量级，每秒钟大概升高两摄氏度。为了解决和回答TRPV1通道在响应温度变化时的动力学变化，我们自己利用近红外激光二极管开发了一个快速恒定的升温系统，可以达到每秒钟升温10万摄氏度。利用这个系统，我们细致地检测了TRPV1通道在温度激活下的动力学特性，以及通道开和关之间的能量变化。我们发现，在50℃的高温刺激下，它的通道开放速率大概是5毫秒。
现在的冷冻电镜技术很难捕捉到高温下蛋白质构象的变化。我们利用自己开发的快速升温系统，通过分子生物学技术构建了一系列通道嵌合体，发现TRPV1的N端近膜端的一个序列，能够作为介导TRPV1温度感受的一个区域。如果把这一段序列替换到TRPV2、TRPV3、TRPV4通道里，那么这些通道的温度激活特性就变得和TRPV1一样。再进一步，如果把这一段序列单独表达出来，用荧光共振能量转移实验可以清楚地看到温度刺激下这一段蛋白质构象的变化，它的变化足以诱发通道蛋白构象的变化，进一步说明这段特殊序列参与了TRPV1通道的温度感知。
TRPV1除了感知温度，还是辣椒素受体。辣椒虽能引起痛疼，但也可以用来镇痛。它镇痛的原因是因为TRPV1通道具有一种Ca2 依赖的脱敏特性。细胞外有比较高浓度的钙离子，钙离子可以经由开放的TRPV1通道内流，内流以后会导致该通道钙离子依赖的脱敏反应发生，脱敏以后的TRPV1通道对原来相同浓度的辣椒素刺激就不会再响应了。
近两三年来，我们围绕TRPV1通道的功能调控开展了一系列工作。比如我们2018年和上海交通大学医学院的李勇教授合作，在炎症小鼠模型里面，发现背根神经节（DRG）上的TRPV1通道会发生小泛素化修饰，小泛素化修饰水平的提高能够特异性地降低TRPV1通道的温度阈值，并且不影响这个通道对辣椒素或者酸的一个敏感性，但却特异地引起这种小鼠的热痛敏。
TRPV1通道除了感知辣椒素，还有一些动物毒素同样也可以通过激活它而引起疼痛。TRPV1通道感知多种类型的刺激，我们称之为多觉感受器。实际上不同刺激之间还存在交叉敏化的现象，这使得对TRPV1通道的研究相对更为复杂。

诺贝尔奖官网
谢谢各位老师的介绍。我们今天的第一个问题是：离子通道到底是一个怎样的存在？它的存在位置，以及它在神经上的作用是什么？
杨巍：以TRPV1为例，为什么它可以感知高温或者辣？从它的功能，你就可以判断它会在什么地方出现。TRPV1主要在背根神经节的末梢，也就是在我们的皮下。这就是为什么你的手碰到热水的时候，你会感觉到这是热水而不是凉水。刚才还提到了辣椒素，我们吃辣椒的时候会感到辣，是因为舌头味蕾上有TRPV1通道。这些都是跟感知觉相关的一些部位。当然，也不是说它只在这些部位表达，它还在其他部位表达。最近有一些关于TRPV1生理和病理功能的研究，虽然在大脑中表达量不高，但是也有一些相对的分布与表达。有报道提到，肿瘤上也有TRPV1。
至于Piezo，它主要是感知触觉，Piezo分为Piezo1和Piezo2两种。感知触觉也跟皮下部位非常相关。用针扎你时，你会感到疼痛，跟皮下的感受器比如Merkel细胞相关。Piezo2主要在这里介导触觉的感知，Ardem他们把这个基因敲掉之后，发现机体的感知觉，尤其是对高频震动的感知觉会出现异常。总的来说，这些分子为什么能够介导感知，都跟它所在的部位密切相关。
TRPV1是辣椒素作用的受体，它激活温度的阈值（也就是最低温度）一般定义为42℃。我正常吃饭的时候，可能口腔温度没有达到42℃，我是否也会产生那种火辣辣的热的感受？如果有这样的感受，原因是什么？
高源：在我们身体里面有TRPV1这种开放阈值为42℃左右的通道蛋白，还有其他一系列TRPV2、TRPM4等一系列TRP 通道蛋白，它们分别具有不同的开放阈值，从十几度一直到五十多度。当你吃到不同温度的食物时，实际上会造成这个区域内一系列通道蛋白有选择性地某几个被激活，这些信号进一步会在背根神经节或者在大脑层面整合在一起，然后告诉你的大脑一个准确的概念，究竟是30度，40度还是35度。但是温度的感觉究竟是如何在大脑中进行编码的，现在这方面的研究并不够。大家推测的一个机理是也许通过这些通道蛋白的共同协作，能非常明确地告诉你可能处于哪个温度。
如果钾通道能产生电流，钠通道能产生电流，TRP通道也可以产生电流，我们的大脑如何识别这些电流？产生的电流是辣，是痛，还是痒？
高源：首先我想说的是，我们以前在生物课上讲到动作电位时说，细胞膜内外之间的电位发生逆转之后，这个信号会通过神经元传递到你的脊柱接着传递到大脑。这部分动作电位是通过钠通道和钾通道的协作来产生的。而我们刚才讲的辣椒素受体TRPV1，它的全称叫瞬时电位通道，是选择性通过钙离子的通道。当它被激活的时候，会帮助一部分胞外区域的钙离子内流到胞内。细胞内外的钠离子和钾离子已经处于平衡状态，这时候一部分钙离子内流就会导致电位发生变化。实际上，TRP通道的激活会间接激活这部分钠通道和钾通道。它们被激活之后会产生动作电位，这个动作电位本身才能通过神经纤维传递到你的脊柱，最终传递到大脑。
另外，当很多个通道同时激活时，大脑怎么知道究竟是哪里发出的信号？实际上人体表面有触觉感受器的地方，其相应的神经元有非常细微的分类，也就是有不同的神经纤维。一般而言，每一个区域或者说不同类型的神经元，它们会表达不同类型的受体，比如说某些细胞可能倾向于表达更多的TRPV1，有一些则表达更多的TRPM8。也就是说在细胞层面上，不同蛋白质分子是有规律地分布和选择性表达的。因此当某一个神经元被激活后产生动作电位，它本身并不能知道是哪个受体激活导致的。但在神经纤维层面上，脊柱以及大脑是可以分清究竟是哪一个区域的神经元被激活了，它可能想传递的信号是什么。
杨巍：这个问题核心是，为什么这些离子通道的开放都能够介导离子流，且多半是阳离子流。不同的通道可以对不同刺激作出响应，这与通道的门控关系密切。比如TRPV1被认为是跟温度相关，Piezo跟触觉相关，为什么不是反过来？那是因为TRPV1本身被激活的方式是依赖温度的，尤其是高温刺激。就是说当温度高于42℃时，这个通道会感知到这样的温度变化，使得通道打开。每一个离子通道你可以想象成是细胞膜上嵌着的一个一个的孔。孔没有开放的时候，它其实是不工作的，也就没有离子通过，一旦打开了就会有离子流。但是像Piezo这样的一些分子，因为它不是感受高温的，所以它依然是关着的。
反过来说Piezo，它为什么可以感知触觉，是因为机械力刺激会使得这个通道打开。你可以想象出来，一定是当细胞膜发生机械力变化的时候，比如说它的细胞膜发生牵张，由于挤压产生变形从而导致通道被打开，介导离子内流。而离子流进来以后，直接效应是引起细胞膜电位的变化。如果是阳离子内流，还会使得细胞膜去极化，进一步激活电压门控的钙通道、钠通道，然后形成动作电位。而另一方面，它也可以通过介导一些阳离子（比如钙离子）来调控细胞内的信号通路，比如钙依赖性的激酶的激活等等，从而引起后续的信号通路的改变。
姚镜：神经系统工作的基础是电信号到化学信号再到电信号的过程，离子通道本身不能识别这种信号是伤害性的，比如说疼痛，它只是通过通道开放导致离子流动产生电流。受体只是传递这一信息，最后到底是酸的还是痛的，由大脑的中枢来解读。实际上我们现在仍然不清楚，温度激活以后，从感受器到最后的大脑整个的传导通路，包括大脑哪个特定的脑区解析这种温度变化，现在仍然有待进一步研究。

让我们再聚焦到David和Ardem他们的工作中来，说到躯体感受，其实在1997年之前并不是没有人研究过，很多人在研究，尤其是机械感受，而且Piezo并不是第一个被发现的与机械感受相关的受体，为什么说最终是这两个获得诺奖？具体感知觉研究领域研究的难点在哪里？
郭雨松：确实，机械敏感的离子通道其实很早就发现了。20世纪80年代之前就在细菌中发现了机械敏感的离子通道。我们知道很多细菌生活在土壤里，它会感受到外界环境的变化。比如突然下一场大雨，外界环境的渗透压会骤然下降，这个时候细菌有可能会吸水膨胀直至破裂。为了避免发生破裂，这种突然的渗透压变化会刺激细菌细胞膜上一种叫做MscL的通道，它是感受巨大渗透压变化的机械敏感性通道。这个通道打开之后，细菌就可以迅速地平衡细胞膜内外的渗透压，使得细菌免于破裂。针对细菌中的MscL以及MscS等一系列机械敏感性通道，人们研究了这些通道的电生理以及结构等信息，从中发现了离子通道的机械敏感性与它打开和关闭两种状态之间的膜平面上面积变化成正比。
但是很长时间内人们一直没有找到高等动物（尤其是哺乳动物）的机械敏感性通道。大家一直在努力地寻找，中间也鉴定过一些，比如TRAAK等钾离子通道，但它在体内分布很有限，生理功能也不明确。另外在线虫和果蝇中发现了类似的通道，包括一些TRP通道和表皮钠通道。这一系列通道在线虫和果蝇中得到了鉴定，但是很遗憾，它们虽然在哺乳动物细胞中有一些同源受体，但这些受体并没有参与哺乳动物细胞中的机械感受，所以一直困扰着大家。
视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉这五种基本感觉，前四种研究起来相对容易，因为这些感受分布很集中，比如嗅觉集中在嗅上皮，味觉集中在舌头的味蕾上，材料丰度比较高，研究这些材料相对容易获得。触觉虽然分布广泛，但非常稀疏，所以我们很难找到一个比较好的材料，让我们获得大量的受体进行研究，这一定程度上制约了我们对机械敏感受体的研究。
到2010年，Ardem Patapountian实验室首先找到了一个具有机械敏感性的神经母细胞瘤细胞系。他们在实验室里用玻璃棒戳这个细胞，发现可以记录到电流，也就是说这个细胞对于机械刺激是有反应的。当发现这样一个细胞系之后，他们尝试着列了一个大概有500多个膜蛋白的清单，他们认为应该有一个单独的基因控制机械敏感性，而这个基因大概就是编码了这500多个蛋白质之一。于是他们就一个一个地敲除编码这500多个蛋白质的基因，然后观察敲除掉每一个蛋白质之后，细胞系是否还保持机械敏感性。他们一直敲到第72个的时候，终于找到了这样一个基因，它被敲掉之后，这个细胞不再对机械力产生反应，而这样一个基因最后就被他们取名为PIEZO。Piezo本身是一个希腊语，表示pressure，也就是压力。由此才发现了Piezo通道。
机械敏感性对生理的重要性大家都有共识，只是一直没有找到一个明确的机械敏感的受体。自从Piezo被发现之后，有大量涉及Piezo生理功能的研究涌现，这项工作的重要性可见一斑。
杨巍：其实之前在高等动物中也有一些报道，就是除了Piezo以外，TRPV2、TRPC1和TRPC6等这些通道可能跟触觉相关，但为什么这些分子最后没有被界定为触觉感受器也没有被授予这样的奖项，这也是有原因的。Piezo直接被证明能够感受机械力并介导电流，而那些分子虽然在抑制或敲除相应的基因后会导致机械触觉感知上发生一些变化，但并不是受机械力刺激之后可以直接激活。
触觉的感知太复杂了，其中还涉及轻触觉、流变力的触觉等，比如在下雨的时候，雨水滴在你的皮肤上，有毛和没毛的地方，触觉感是不一样的。应该还有很大空间去找寻一些新的感受器，因为PIEZO敲掉以后依然能够看到其他的一些机械表现。未来这个领域还是需要大家更多的努力，去了解离子通道的整个过程。

Piezo1的3D模型。
—
David S. Goodsell
谢谢杨老师。郭老师的回答已经特别系统，再加上杨老师的补充，这一块大家应该很清楚了。接下来是另一个问题：像之前的诺奖研究，比如试管受精和青蒿素，其实都有很强的医学性应用。对于这一次的诺奖发现，它在医学上有什么重要的应用吗？它和医学应用的关联性大吗？姚老师和杨老师都有在做TRP通道相关疾病的研究，能否回答一下？
姚镜：那我先抛砖引玉。以我比较熟悉的TRPV1通道为例。因为TRPV1感知温度激活的阈值是在42℃——这种温度实际上就是一种伤害性。所以说TRPV1通道也被称为一种痛觉感受。听到这个名字我们就知道它可能作为镇痛药物相关的靶点，特别是在炎症的条件下。比如你有炎症的时候，对温度可能会变得更为敏感。以TRPV1通道为靶点，可以开发研究炎性疼痛相关的药物。
另外我们前面也提到，TRPV1除了在神经系统有表达，实际上它在CD4的一种阳性T细胞里也有表达，研究发现这种炎症的活化跟TRPV1的激活也密切相关，如果调节TRPV1的功能也会影响到这种免疫性。另外就是中国人民解放军陆军军医大学陆军特色医学中心祝之明教授的研究，他们也发现TRPV1和运动的耐受力也是相关的。还有研究关注它和寿命的关系。所以TRPV1通道的作用是非常丰富的。
杨巍：我再补充一点。刚才姚老师已经把TRPV1跟疾病的关系讲得比较充分了。近年来，有很多大的药企在做TRPV1的药物研发，主要还是针对镇痛。但是确实，在临床上我们也看到了一些副作用。因为TRPV1本身可以调控体温，所以这也是目前在药物研发过程中的一个难点。怎么来开发出一些好的干预分子，可以既不影响它对温度的一些感知，但是又能够抑制它的功能——介导这个痛觉，这是目前我们正在做的。
关于触觉这一块，因为姚老师讲的TRPV1，我就讲讲Piezo。Piezo跟触觉相关，那么它跟疾病有什么关联？一方面就是我们知道，在我们生活当中，有一些病人患有触诱发痛或者触诱发痒。什么意思呢？举个例子，我脱一下衣服很正常，不会感觉到任何异样，但是对于这类病人来说，他脱衣服会感觉到很痛或者很痒，因为这是跟触觉相关的机制引发的一些痛跟痒，而且都是病理性的。这也是困扰很多老百姓的一种疾病。所以现在也发现像Piezo2，是跟触诱发痛密切相关的。我们也希望针对这个分子，开发出一些药物来干预触诱发痛的疾病。
那么关于Piezo1，它跟心血管，尤其像高血压这些都有关系。所以也有人提出是否可以通过Piezo1针对这些心血管疾病进行干预。但是相对来说，这两个领域都处在比较早的一个阶段。

- Maggie Chiang -
我们能用电子显微镜观察到激活的离子通道的整个过程吗？
高源：我觉得刚才提出的这个问题，大概是我们做结构生物学家的梦想之一。就是说何时能用电子显微镜对着一个细胞，就能看到像放电影一样的过程：这个通道是如何激活的。能达到原子分辨率当然是最好的了，但事实上目前还是比较困难的。
首先冷冻电镜技术解析结构的基础，相当于对着同一个物体拍了成千上百万张照片——在不同角度拍出来的。然后通过不同角度获得的这些照片，来重新构建出物体的三维结构信息。这依赖于非常多的数据，来提供很强的平均算力。所以目前想达成这一目的还是很有挑战性的。当然现在随着各方面算法以及照相机技术的改进，可能需要越来越少的数据就可以解析出同样分辨率的结构，这可以帮助我们逐渐接近这个目标。
对于实现这一目的，我们下一步还有一个可以攻关的突破点。目前的冷冻电镜技术，大家可能听说过单颗粒重构技术。这个技术一般需要把一个个蛋白在体外纯化出来，然后通过对其照相来得到结构。但事实上，当你把这些蛋白从原来的环境剥离开来后，一些跟其环境相关的特质都会失去。我们现在有一个方法叫电子断层扫描——目前也是冷冻电镜学界致力于突破的下一个领域。这项技术有希望能在细胞原位——也就是这些蛋白还在细胞里原来的位置上——解析出它们的结构。虽然说目前这部分技术的分辨率还非常有限，但是我相信在未来几年这方面突破应该很快会到来。到那个程度我们至少可以了解清楚一个蛋白在细胞环境内是处在什么样的状态，它跟周围的其他蛋白如何相互作用，这应该是非常有用的信息。有了这份信息之后就可以结合现在常用的分子动力学模拟来构建出通道蛋白的变化过程：
我们可以依据已知的分子之间相互作用的物理学原理，用电脑去模拟和计算这些蛋白在活化过程中，其自身构象变化以及与周围蛋白相互作用的变化。当然这里通过模拟得到的信息，还需要进一步通过实验手段去验证。我觉得把这些手段结合在一起，应该是能逐渐接近这个“分子电影”的目标的。
郭雨松：刚刚高源老师说的原位的结构生物学，可以说是结构生物学的下一个突破方向。我们确实很想知道，在原位的不管是蛋白还是蛋白质的复合体，它们在一个细胞环境当中如何跟其他的蛋白质以及蛋白质复合体进行相互作用。有点类似于蛋白质的社会学——它们在整个环境当中如何相互作用。但这依然是静态的画面，刚刚高源老师说的是用分子动力学模拟可以补充进来一些动态图像。但这依然是模拟出来的、通过计算得到的结果，而在实验方面确实是有技术困难的。
但如果我们暂时不要求很高的分辨率，其实还是有一定的替代手段，比如原子力显微镜就是可以实时进行成像的一种手段。其实它在z轴上的分辨率是相当高的，可以达到纳米级以上。我2019年发表的文章讲述的正是用原子力显微镜去看Piezo的开关状态，我们也确实捕捉到了Piezo关闭和打开两种构象之间的变化。我们给脂质样品上的Piezo进行受力，也就是说它有一个天然磷脂环境，随着受力的增加，我们可以看到这个通道发生了形变——一个明确的构象变化，再把这个力撤掉后我们可以看到Piezo的形变又恢复到了原状。所以虽然原子力显微镜现在只有在z轴上有这样的分辨率，而在xy轴平面上还不能达到我们想要的分辨率，但我们已经能在静态高分辨率结构的基础上，结合原子力显微镜这样的动态实验技术，来弥补整个动态的画面。所以这一定程度上可以帮助我们得到更加完整的相当于电影画面的过程。
希望将来原子力显微镜的技术突破，加上原位结构生物学的突破，在不久的将来我们可以达到电影式的蛋白成像。

原子力显微镜
—
Zureks ，CC BY-SA 3.0
我们还有一个有趣的问题：有一个发现说世界上有很少一部分人，他们其实缺少Piezo2受体。他们会出现本体感受方面的障碍，就是说如果不看见自己的腿，他们都不知道腿放在哪。是不是我们在说Piezo跟触觉的关系时，这个触觉并不单单指触摸，而有更为广泛的意义？
郭雨松：Piezo通道感受的是机械刺激，所以它可以是触觉，也可以是其他的机械力，比如我们对重力的感受，或者对细胞来说是来自于周围细胞的挤压和接触，这实际上是非常广义的触觉。所以像这些病人确实有这样的情况，他们感觉不到自己的具体位置，也不能够保持平衡，如果他的眼睛被遮住的话是不能够走直线的，他们也没办法知道自己肢体的位置。所以这确实是广义上的机械力感受的缺失。
实际上，除了这个之外，Piezo相关的突变疾病还有很多，比如一些发育上的障碍，例如骨骼发育或心血管和淋巴管的发育会发生问题，其实也是在细胞分化的过程当中，感受机械力的刺激发生了问题。正常细胞分裂会受到周围细胞情况的影响，比如脊椎在发育过程之所以能够正直，是因为它能够受到两边的肌肉同时给的牵拉，但如果Piezo2发生障碍的话，这个牵拉过程也会发生障碍，因此可能会发生脊柱侧弯的表型。
同样，Piezo1也会涉及到很多渗透压的变化，这实际上也是一个机械力，但我们不会称之为触觉。所以说当理解Piezo通道的时候，虽说我们可能比较容易感受的、比较直观的是触觉或者本体感觉，但实际上在人体的生理当中有相当多其他的机械力也是通过Piezo通道来感知的。
我在所有的听众问题当中看到了一个特别有挑战性的问题，它是由一位人文学科的学生提出的：“德勒兹针对培根的绘画提出一种‘触感视觉’的感觉/概念，指的是可触的视觉，请问用神经生物学如何解释呢？比如看3D电影时会感觉经常能碰到自己。”
高源：我先试着猜一下吧，可能没有什么科学依据，只是我个人的一个猜想。我觉得对于我们人类来说，大脑经过长时间的进化，已经达成一些对于周围环境感知的惯式了。就是说通常情况下我们面对的是一个自然的环境，比如说原始人不可能去看3D电影。大脑对于周围的自然环境已经熟悉并形成了特定的认知方式。而当你去看3D电影，这是一个很晚近的，人工的发明。3D电影通过视觉，人为地让你产生了一些三维的感受，这种全新的刺激可能间接地会影响到你的一般认知过程。我们刚才已经说了很多，其实我们各种触觉、视觉、听觉，最终都是要在大脑这个层面进行整合。所以我怀疑当某一些通路发送了让大脑比较疑惑的信号时，就会产生一些错觉。
杨巍：我补充一点，我觉得刚才高老师讲的很到位，确实是这样的一种关系。我们的触觉感知其实外周是感受器来介导，但是到了中枢以后它就会进入到高级的功能，就是皮层、丘脑等，由它们来介导触觉的感知，最后只有在皮层层面上才能够定义触觉。就是触觉感受器被激活，如果还没有到大脑形成意识的话，说不上触觉。所以说进化当中人跟别的动物可能不太一样，就是说你是可以看到一些3D图像，你其实没有真实地去触碰。但是你看了以后感觉好像自己是碰到物体，就是因为你的外周的真实感知这部分，已经被3D这样一个视觉刺激替代了。你的视觉感知一样可以激活到大脑高级中枢，从而引起这样的触觉。就像边上有人在挠痒痒，你也会觉得身上有点痒，其实你本来就没挠痒，但为什么你看别人在挠痒时也会觉得自己很痒？这些都是类似的行为刺激。
姚镜：我简单讲一句。我们今天谈到的温度觉或触觉实际上都隶属于躯体感觉系统，它实际上有赖于感觉系统的一种整合，比如大脑的后顶叶皮层对于这种躯体感觉系统就非常重要。实际上这里谈到了一个非常重要的问题，就是我们今天讲到的，不管是温度感受受体TRPV1或者是Piezo这种触觉感受，都是在受体级别上的感受，我们称之为sensation或者transduction（传导）。实际上最终这种感觉系统的整合，可以理解为特别的一个感受——是在大脑里进行复杂加工后的 perception（感知）。
抑制掉所有的温度感受器就不痛了吗？
姚镜：那我来试着解答一下。温度对我们的机体非常重要。我们刚刚提到的TRPA1是冷的感受器，它也跟家族遗传性的痛密切相关。TRPA1是芥末激活的一个离子通道，比较低的温度能够激活这个通道。它的获得性功能突变会导致上肢疼痛发生。当然另一问题是，这些对温度敏感的TRP通道，实际上感受的范围比较宽，不定于某一点的温度。所以它们之间有重叠，某些缺失并不一定导致机体异常的发生，它们之间是有相互代偿的。
杨巍：我想讲一个概念，我们很多的感知觉，其实在生理和病理的切换都是跟强度有关的。就是说如果刺激是适度的，你感知到的就是生理性的，但如果刺激过度，就会变成病理性。生理性反应的时候就感知热，但如果强度刺激大了以后它就变成痛了。就像触觉一样，用一根针来碰到你的皮肤，轻轻碰的时候你不会认为这根针是伤害性的。一旦我用力扎进去，那这个时候你就会觉得“哎呦好痛”。因为刺激的强度不一样，所以会造成感知觉的差别。
在人工智能领域实现触觉的传递有可能吗？
郭雨松：其实刚刚有很多问题，我也想补充这一点，就是我们今天所讨论的，实际上在神经生物学当中是属于比较基础的范畴，实际上还是在尝试使用比较贴近物理或者是化学的方式，去理解神经生物学最底端的关于感觉、感受的问题。
而刚刚姚老师也提到感觉即sensation，实际上这个信号传递给大脑之后，大脑怎么样对它进行处理，进行编码和解码，这个过程涉及到的远远超过了我们今天讨论的研究范围，甚至一定程度上也可以说超过了目前整体学术领域的理解范围。
目前我们还在很努力地尝试理解，大脑究竟怎样理解或者解码这样一些信号。在人工智能领域，目前来说有一些感觉是可以被模拟的。比如视觉可能识别起来会相对容易一些，计算机可以相对比较容易地实现一些视觉信号的传递。但对于一些其他信号就比较困难了，比如嗅觉。
我曾经听过一个关于嗅觉的学术报告，主讲人举了一个很有意思的例子，就是现在最高级的视觉识别已经很厉害了，但是现在最高级别的嗅觉感受器是什么呢？——还是狗的鼻子。实际上现在所有的人工智能也好，或者说我们对神经生物学的研究也好，对于不管是嗅觉还是触觉，目前在大脑层面的感知还是非常欠缺的，还在非常努力的理解当中。有朝一日，（提问者所说的）是有可能做到的。但是暂时来看，对于大脑怎样识别触觉信号，信号来自于机体的哪个位置，以及触觉信号的强度和频率，我们还只能从最前端的感觉，就是电流是怎么样产生这一步来理解。至于说电信号传到大脑或者中枢后是怎样被编码和解码的，确实还在研究当中。

- Tianhua Mao -
我们的中枢系统当中会不会也有这些受体的存在？它们的存在会跟疾病或者我们的什么生理过程是相关的吗？
杨巍：我前面讲的时候也提到，以TRPV1为例，它其实在中枢也有一定分布。其实辣椒素是一个脂溶性很强的分子，相对来说穿过血脑屏障并不难。但是撇开这一点来说，其实在中枢的TRPV1，基于目前的一些研究，我认为它可能跟体温的调节是有一些关系的。另外高老师也提到了，TRPV1，其实也是在激活后通过改变神经元的一些膜电位，从而激活一些电压门控的离子通道，来导致神经元的一些兴奋性的变化，所以它跟神经元的兴奋活动是有关联的。另外，TRPV1跟突触的一些功能也可能有关。
那么Piezo在中枢是否有分布？
郭雨松：Piezo在中枢里面确实是有的。但据我所知，它的功能可能并不像大家想的那样，是参与感觉的。我们知道Piezo在感受其他的机械力，但是并非给我们的神经系统以“感觉”。目前所知的在神经系统当中，包括在脑里面，Piezo参与了神经细胞的分化，也就是说一个神经前体细胞是决定成为神经元细胞，还是成为起支持作用的神经胶质细胞。这取决于当时前体细胞的环境：当时的环境硬度，周围是不是有其他的细胞。而这个决定过程是由Piezo来介导的。所以说在大脑当中Piezo确实有分布，而且确实也已经发现有功能。但至于说在中枢神经系统当中，Piezo有没有参与感觉，目前我还没有看到这样的研究成果发表。
在躯体感知觉领域，我们还有哪些事情可以做？国内有哪些好的实验室在推进这些工作？我们跟国外的距离又有多大？
杨巍：对于离子通道，以Piezo为例，咱们国家的科研人员跟国际上科研人员水平相当。比如清华大学的肖百龙教授，近些年来在Piezo1和2的结构功能关系上面做了一些非常好的工作，发表了很多好成果。另外广州中医药大学的李静教授，她之前做了一系列非常不错的Piezo跟心血管的生理功能的工作。
在其他的一些机械敏感性通道领域，比如说最近很火的跟听觉相关的TMC分子，国内也有很多老师都是非常出色的，比如清华大学的熊巍，刚回国的唐逸泉教授，还有我们浙江大学的康利军教授都研究这个领域。另外，刚才郭老师提到细菌里的机械通道，浙江大学的李月舟教授就是做这个MscL通道的。在果蝇和线虫方面也有一些很好的研究项目，比如深圳湾实验室的闫致强也做了很多工作。所以在机械通道这方面，国内有很多优秀的科研人员在做，包括今天在现场的郭老师也是做这方面的结构研究。
温度觉的感知领域也是一样，国内有很多非常活跃的科学家，包括今天在现场的姚镜教授，他一直从事TRPV1门控研究。浙江大学的杨帆教授围绕着TRPV1和TRPM8发表了一系列很好的成果，揭示了这些通道感受热和感受冷的调控机制。东北林大的杨仕隆教授，他是从进化角度来研究TRPV的通道怎么来感知热。国内这两个方向上还是有很多的科学家在做这方面的工作。
姚镜：像神经所的孙衍刚教授也做了很多关于痒觉的工作。但我更想说的是，虽然TRPV1和Piezo的发现获得了诺贝尔奖，但是实际上对它们的深入研究还远远没有结束。我们现在是发现了受体是怎样感知外界环境中各种各样的刺激的，但它怎样传导到我们的大脑，在大脑中枢的哪一个部位完成，这些问题目前仍然有待解决。
大家刚刚也提到，非常关心它在中枢里的分布，它的作用到底是什么？这也是一个非常重要的问题。此外，我们还可以简单将它们看作阳离子通道，这些通道对钙离子和镁离子的通透能力非常高，如果说把它看成信号级联中间，钙离子是一种重要第二信使，通过钙离子后可能会导致下游信号的级联反应。从这个角度看，能够揭示它的很多功能，以及它所参与的各种功能。
比如在脑卒中缺血性灌注里，如果酸性环境足够强的话，H 离子也是有可能激活TRPV1通道的。但是除此之外，在正常的生理状态下面，它是怎样工作的，我觉得这是一个非常值得探索的问题。我们除了要解析它的整个传导通路，对于它怎样感受，怎样在大脑中工作，我觉得也是非常重要的科学问题。
高源：我读博期间跟TRP接触的比较多，然后这些年也是在结构生物学领域进行研究。其实，大家如果对这个领域有关注的话，会发现TRP 通道可能是在结构生物学中做得最广泛最充分的一个领域了。相比Piezo通道来说，TRP通道在表达纯化过程中的遇到的技术难题相对少一些，有二三十种TRP通道的结构已经被报道。但我想说，这其实带来一个问题，实际上在我们神经科学发展史上是第一次出现这种问题。以前，大家都是先发现这些受体，先了解了每一个受体对应的功能。了解了生理功能之后，再逐渐地一点一点揭示其功能与结构的关系，或者进一步把结构解析出来。而如今由于冷冻电镜技术的突破，使得这个过程发生了倒置。
目前，基本上人体中常见的TRP通道，包括我们今天提到的TRPV1、TRPM8以及其他家族，这些结构其实都已经解析出来了。但是我们并不清楚这些通道蛋白的生理功能是什么。如果你对于通道蛋白感兴趣的话，我觉得这就是下一步需要去专注的要点。我们要搞清楚各种各样的TRP通道在身体里面，在不同组织里，在不同细胞类型中如何表达，它们在其中究竟发挥什么作用。虽然通过结构，我们现在能看到每个通道的配体结合位点长什么样，它的每一个原子在哪个位置，但你仍然不知道它在体内是什么功能。我相信它们的实际功能应该远远超过我们今天所讨论的范围，不仅仅是温度感觉或者是触觉感觉，我相信这种研究会有助于我们进一步揭示在病理条件下这些TRP通道的功能受到了什么影响，这是非常有意义的。
郭雨松：我个人觉得这些通道现在已经被发现而且也发现了很多相关的生理功能，我们也确实解析了这些结构，但是很遗憾的是，尽管这些结构达到了很高的分辨率，却并没有解释一个最根本的问题——为什么这些通道可以感受这些信号。比如TRPV1这个通道到底是怎样感受温度的，尤其是它感受温度的精确度可以达到1℃。对一个蛋白质来说，它究竟是怎样识别这样1℃的差别的？尽管我们解析了高分辨率的结构，但是我们依然处于各种限制中，不管是技术限制，还是样品制备的限制。我们还没有看到通道究竟是怎样随着温度的变化而发生变化的。
Piezo其实也一样，尽管我们有了基础的一个结构，但我们也并不知道它到底是怎样感受机械力的。我们也提出了假设，但是到目前为止，我们也不知道打开的Piezo通道长什么样，我们也并不知道在这个机械力的感受过程中，每一个氨基酸的位置发生了怎样的变化。尽管现在它们的发现已经拿到了诺奖，但是我们对这两个通道或者这两类通道，它们是如何感受相应的刺激，即其中的生物物理机制，还是不清楚。我希望将来可以解决这个问题。
针对这两个通道，目前我们也发现了很多相关的病理应用，但是我们还没有找到比较好的针对它们的药物或者治疗手段，这也是一个很重要的方向。TRPV1已经有一些临床实验了，但是还没有相应的药物上市。Piezo就更加滞后一些，暂时没有很明确的一个靶点或药物出来。我觉得这也是一个很重要的方向，因为很显然它们的生理功能都是非常重要的。
编辑：lixia，EY | 排版：光影 | 封面：PALLIET éric
原文转载自微信公众号“nextquestion”：
https://mp.weixin.qq.com/s/zOUdWP7T-EnhaxM7Nilk7w
https://mp.weixin.qq.com/s/s5KDBX3kL0mZqWjEwtBLJA