Nobel y sinh học 2021: Thụ thể kiểm soát thân nhiệt và xúc giác

Chúng ta cần khả năng cảm nhận cái nóng, cái lạnh và sự đụng chạm để tồn tại và tương tác với thế giới xung quanh. Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta coi những cảm nhận là hiển nhiên, nhưng làm thế nào để xung thần kinh bắt đầu để có thể nhận thức được nhiệt độ và áp lực? Hai nhà khoa học người Mỹ, David Julius và Ardem Patapoutian (Hình 1), đã tìm ra lời giải cho câu hỏi này và trở thành chủ nhân của giải thưởng Nobel y sinh học 2021.

Hai giác quan này rất quan trọng cho sự tồn tại của chúng ta, nhưng trước khi có những khám phá của Julius và Patapoutian thì người ta vẫn chưa rõ hệ thần kinh đã tiếp nhận và chuyển đổi thông tin về nhiệt độ, các kích thích cơ học thành các xung điện để hành động như thế nào.

Công trình nghiên cứu về thụ thể nhiệt của David Julius

Vào cuối thập nhiên 90, David Julius đã nhìn thấy khả năng đạt được những tiến bộ lớn từ việc phân tích cách hợp chất hóa học capsaicin gây ra cảm giác nóng rát mà chúng ta cảm nhận được khi tiếp xúc với ớt. Trước đây người ta đã biết capsaicin sẽ kích hoạt tế bào thần kinh và gây ra cảm giác đau, nhưng cách mà hợp chất hóa học này hoạt động vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải đáp.

Julius và đồng nghiệp đã tạo thư viện cDNA của các gene biểu hiện trong tế bào thần kinh cảm giác, vốn là những tế bào có thể phản ứng với cơn đau, nhiệt và sự đụng chạm. Giả thiết mà nhóm của Julius đưa ra đó là thư viện sẽ chứa 1 đoạn DNA mã hóa cho protein có khả năng phản ứng với capsaicin. Nhóm của Julius đã cho biểu hiện từng gene một trong các tế bào nuôi cấy, bình thường các tế bào này sẽ không phản ứng với capsaicin. Sau một cuộc tìm kiếm vất vả, nhóm của Julius đã xác định được 1 gene mã hóa cho thụ thể gọi là TRPV1 có thể làm cho tế bào trở nên nhạy cảm với capsaicin (Hình 2), đây là 1 thụ thể cảm nhận nhiệt được kích hoạt ở nhiệt độ được cho là sẽ gây ra cơn đau. Các nghiên cứu sau đó của ông đã phát hiện được thụ thể lạnh TRPM8 và thậm chí là một họ các thụ thể protein dùng để thông báo cho cơ thể chúng ta về những khoảng nhiệt độ khác nhau.

Công trình nghiên cứu về thụ thể xúc giác của Ardem Patapoutian

Trước khi có nghiên cứu của Patapoutian, người ta đã tìm thấy cảm biến cơ học ở vi khuẩn, tuy nhiên cơ chế cảm nhận sự đụng chạm ở động vật có xương sống vẫn chưa được biết đến. Vì thế Patapoutian và đồng nghiệp muốn biết bằng cách nào mà cơ thể chuyển đổi tín hiệu cơ học từ môi trường thành các xung điện để cho chúng ta biết rằng “ai đó đang giẫm lên chân bạn” hay “ai đó bắt tay chặt quá”.

Đầu tiên, Patapoutian xác định được 1 dòng tế bào phát ra tín hiệu điện có thể đo được mỗi khi bị chọc vào bằng micropipette. Nhóm nghiên cứu giả định rằng thụ thể được kích hoạt bởi lực cơ học là 1 kênh ion. Sau đó Patapoutian đã lập ra danh sách gồm 72 gene mã hóa cho thụ thể. Nhóm nghiên cứu đã lần lượt knock-down từng gene nhằm tìm ra gene chịu trách nhiệm cho sự nhạy cảm cơ học của dòng tế bào nghiên cứu. Và cuối cùng Patapoutian đã xác định được 1 tổ hợp gene (Piezor 1 và Piezor 2) mà khi làm im lặng nó thì tế bào sẽ ngừng phản ứng với những cú chọc của micropipette (Hình 3). Piezor 1 sẽ kết hợp với Piezor 2 rồi cùng nhau phản ứng với các cảm nhận áp lực trên màng tế bào, giải phóng ra 1 chùm ion mà hệ thống cảm giác có thể hiểu rằng “đó là áp lực”. Các nghiên cứu sâu hơn sau đó đã chứng minh Piezor 1 và Piezor 2 điều hòa các quá trình sinh lý quan trọng bao gồm huyết áp, hô hấp và kiểm soát bàng quang đường tiết niệu.

Giá trị đóng góp của 2 công trình nghiên cứu kể trên

Những phát hiện mang tính đột phát của Julius và Patapoutian về các kênh TRPV1, TRPM8 và Piezo đã cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về cách mà cơ thể chúng ta nhận biết thế giới xung quanh, giải thích cách mà chúng ta nhận ra cái ôm ấm áp hoặc cảm giác sốc lạnh khi bị bỏ một viên đá lạnh vào lưng áo. Các kênh TRP là trung tâm cho khả năng cảm nhận nhiệt độ, kênh Piezor 2 giúp chúng ta cảm nhận sự đụng chạm và khả năng cảm nhận vị trí cũng như sự chuyển động của các bộ phận cơ thể. Ngoài việc nâng cao hiểu biết cơ bản của chúng ta về hệ thần kinh, nghiên cứu còn là cơ sở khoa học để phát triển các phương pháp điều trị cho 1 loạt các tình trạng bệnh lý liên quan đến giác quan bị suy giảm hoặc kích thích quá mức, chẳng hạn như bệnh đau mạn tính (Hình 4).

Sơn Phạm – Lược dịch

Tài liệu tham khảo

MLA style: Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021.

Nature’s collection: Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021.