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* 미국 과학자 데이비드 줄리어스(David Julius)는 고추 성분 캡사이신과 수백만 개의 DNA 조각의 도움으로 열 통증 수용체 TRPV1을 식별
* 레바논 태생의 과학자 아뎀 파타푸티언(Ardem Patapoutian)은 우리 피부의 촉각 자극에 반응하는 독특하게 구성된 두 가지 기계 수용체를 발견

열 및 압력 센서로 노벨 생리 의학상 수상
두 명의 수상자는 우리 피부가 열과 촉감을 어떻게 감지하는지 알아냈다.

올해 노벨 의학상은 우리 감각 지각의 근본적인 측면인 열과 촉각을 해독한 두 명의 과학자에게 돌아갔다. 미국 과학자 데이빗 줄리어스(David Julius)는 고추 성분 캡사이신과 수백만 개의 DNA 조각의 도움으로 열 통증 수용체 TRPV1을 식별했다. 미국에서 연구를 수행하는 레바논 태생의 과학자 아르뎀 파타푸티안(Ardem Patapoutian)은 우리 피부의 촉각 자극에 반응하는 독특하게 구성된 두 가지 기계 수용체를 발견했다. 

▲ 2021년 노벨 의학상은 열 통증과 압력 자극 수용체를 발견한 사람에게 돌아갔다. © Nobelprize.org

피부는 우리의 가장 큰 감각 기관이다.
그것은 추위에서 더위까지, 가벼운 바람이나 애무에서 바늘로 찌르는 고통에 이르기까지 다양한 자극을 등록하는 센서로 빽빽하게 들어차 있다. 우리는 이러한 인식이 매우 특정한 자극에 반응하고 이러한 자극을 전기 신경 신호로 변환하는 특수 피부 세포의 막에 있는 작은 센서인 수용체에 기인한다.

과학자들은 어떤 센서가 어떤 자극을 감지하고 어떻게 생겼는지 점차적으로 밝혀냈다. 올해의 노벨상 수상자 2명이 그중 하나다.

데이비드 율리우스: ​​더위의 고통 흔적에서

샌프란시스코 캘리포니아 대학의 David Julius는 1990년대에 열 통증 인식 센서를 찾기 시작했다. 예를 들어 뜨거운 난로를 만질 때뿐만 아니라 피부나 점막이 고추 성분 캡사이신과 접촉할 때도 반응한다. Julius는 수용체를 추적하기 위해 후자를 사용했다. 

첫째, Julius와 그의 동료들은 설치류가 외부 자극에 반응할 때 활성화되는 모든 유전자의 라이브러리를 만들었다. 이 유전자들을 배양된 세포의 게놈에 개별적으로 삽입해 캡사이신에 반응하는지 확인했다. 시간이 많이 걸리는 검색 끝에 그들은 마침내 그들이 찾던 것을 찾았다.

이전에는 캡사이신에 둔감했던 세포가 갑자기 그 자극에 반응하는 유전자를 발견했다. 

▲ 캡사이신과 열은 모두 TRPV1 수용체를 활성화하여 열 통증에 대한 신경 신호를 유발한다.© Nobelprize.org

추가 분석을 통해 이 유전자에는 세포막에서 이전에 감지되지 않은 이온 채널인 TRPV1에 대한 구성 지침이 포함되어 있음이 밝혀졌다. 이 센서가 캡사이신과 접촉하면 센서가 열리고 그로 인한 이온 불균형이 뇌에 열 통증을 알리는 전기 신경 자극을 유발한다. TRPV1이 40도 이상으로 가열되면 동일한 효과가 발생한다.

이것은 열과 캡사이신이 주관적으로 매우 유사한 통증 감각을 유발할 뿐만 아니라 생리학적으로도 동일한 수용체를 기반으로 함을 확인했다. 이 발견을 기반으로 Julius와 그와 별도로 두 번째 수상자인 Ardem Patapoutian은 얼마 지나지 않아 우리의 차가운 인식을 담당하는 또 다른 이온 채널인 TRPM8을 발견했다. 또한, 다른 온도 범위에서 점프하는 몇 가지 다른 수용체가 있음이 발견됐다.

Ardem Patapoutian: 독특한 압력 센서

두 번째 수상자인 베이루트 태생의 Ardem Patapoutian은 이 시기에 La Jolla에 있는 Scripps Research Institute에서 연구를 했다. 그곳에서 그는 접촉 및 기타 기계적 자극을 감지할 수 있는 센서를 찾는 데 집중했다. 기계 센서는 이미 박테리아에서 확인되었지만 척추 동물과 인간에서는 여전히 보류 중이다.

그들이 찾고 있는 수용체를 찾기 위해 Patapoutian과 그의 동료들은 먼저 설치류의 피부에서 개별 세포를 분리하고 피펫으로 살짝 눌렀을 때 측정 가능한 전기 신호를 생성하는 세포를 찾았다. 

▲ 기계적 압력은 세 부분으로 구성된 기계 수용체 Piezo1 및 Piezi2의 모양을 변경해 신경 자극을 유발한다.  © Nobelpeize.org

일단 이것들이 발견되면, 이 팀은 또한 유전적 접근을 선택했다. 그들은 세포에서 72개의 후보 유전자 중 하나를 끄고 기계적 자극에 여전히 반응하는지 테스트했다. 여기에서도 하나의 유전자가 결정적인 것으로 밝혀졌다. 우리가 찾고 있는 기계 수용체는 세포막에 위치한 Piezo1이라는 단백질이었다.

Piezo1은 2,500개의 아미노산으로 구성된 매우 크고 독특한 모양의 이온 채널이다. 이것은 세 개의 큰 프로펠러 모양의 블레이드로 둘러싸인 중앙 구멍으로 구성된다. 이 잔잔하게 휘어진 센서 시트에 기계적 압력이 작용하면 납작해져서 수용체의 코어 구멍이 열린다. 이것은 압력 특정 신경 신호를 촉발한다.

노벨상 위원회는 “올해 노벨상 수상자들이 TRPV1, TRPM8 및 피에조 채널에 대한 획기적인 발견을 통해 열, 냉기 및 기계적 힘이 어떻게 우리가 주변 세계를 인지하는 신경 신호를 유발하는지 이해하게 됐다”고 말했다.
출처: Nobelprize.org

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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