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【科學講堂】「電風扇」蛋白質 讓動物有感覺

2020-10-15
■科學家們已找到負責觸覺的基因。 資料圖片■科學家們已找到負責觸覺的基因。 資料圖片

因應外界的改變而作出相關的應對,是生命的其中一個特徵;而生命可以這樣做,自然得依靠各種感官。一些感官的運作原理,我們已經有個大概的概念:從物件反射出來的光線,經由眼睛中的晶體聚焦至視網膜之上,再轉化成神經信號,傳到腦部供大腦分析、解讀;這就是視覺。食物中的化學物質刺激舌頭上的味蕾,再由味蕾將這些刺激轉變為信號,然後也是送到腦部作闡釋;這就是味覺。但是觸覺又是怎樣呢?我們對觸覺的理解,相對來說,好像就是少了一點。

靠戳老鼠細胞 找出觸覺基因

在細胞的層面,觸覺也是十分重要:細胞需要察覺空氣流進肺部,需要感知胃部是否充滿食物;而我們能夠聽到聲音,其實也需倚靠內耳中的感官細胞感應構成聲波的震動,再將其轉換成神經訊息。那細胞是如何完成這些「任務」的呢?

美國斯克里普斯研究所的分子神經生物學家Ardem Patapoutian和他的同僚Bertrand Coste也考慮了相同的問題。他們運用了一種特別的老鼠細胞:每次被輕輕一戳,這種細胞就會產生出可以被量度到的電流,代表它們對觸感的反應;Patapoutian與Coste再在每一批這樣的細胞之中壓抑一條不同的基因,令這段基因無法發揮它的功能;假如在壓抑某一條基因以後相對的一批細胞不再對觸覺有反應,那麼這段就是我們在尋找的基因了!經過好幾個月的努力,Patapoutian與Coste終於發現了兩條這樣的基因,取名為Piezo1及Piezo2,也就是希臘語「壓力」的意思。

這種能夠讓細胞感應壓力的蛋白質,自然迅速成為大家研究的對象。Piezo1和Piezo2由大約2,500個氨基酸組成,比一般哺乳類動物的蛋白質長五倍;然而過往利用X光或磁力共振的技術,對分析這麼複雜的蛋白質構造並不是十分有效。清華大學的蕭百龍副教授曾經是Patapoutian研究團隊的成員,自然對這個課題很有興趣:在2015年他利用低溫電子顯微技術,成功找出了Piezo1的結構,而其他的研究團隊之後也發表了更高解像度的結果。

形狀似螺旋槳 缺基因不會痛

這種蛋白質的形狀,看上來其實有點兒像傳統的電風扇或螺旋槳:從中央的部分伸出三條像扇葉的構造,而每條這樣的「扇葉」也是略呈弧狀。科學家們也已有一些Piezo蛋白質是怎樣運作的猜想,但暫時還未能將它們驗證:現在我們只能夠觀察獨立存在於實驗室的Piezo蛋白質,但一些研究團隊已經在嘗試察看它們在人造細胞膜上運作的情況了。

如前所述,這些Piezo基因在身體中擔當茼h種的角色。已有實際病例顯示,Piezo基因出現問題的病人,對感受自己身體活動會有困難:假如沒有視覺的輔助,這些病人會感覺不到自己的肢體在哪堙A以至要直線走路也有問題;把震動中的音叉貼近他們的皮膚,他們其實是依賴聽到的聲音去知道音叉是否在震動,因為一旦讓他們戴上隔音的耳罩,他們就不會察覺音叉的震動了。

Piezo基因與感覺痛楚也有關係,如果把辣椒中令我們感到辛辣的物質(也就是辣椒素capsaicin)注射入老鼠的身體之中,牠們對痛楚的感覺會變得異常敏感:就好比被太陽曬傷的皮膚,輕輕地一按也會為我們帶來無比的痛楚。然而,缺乏Piezo基因的老鼠,卻不會有這種敏感的反應。對Piezo的研究,也許在未來會幫助我們在醫療上處理痛楚呢。

■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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