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Medizin

Medizin-Nobelpreis: Wie Nervenzellen Temperaturen und Berührungen erkennen

Montag, 4. Oktober 2021

Den diesjährigen Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhalten der Amerikaner David Julius und der Libanese Ardem Patapoutian für die Entdeckung der Rezeptoren für Temperatur und Berührungsempfindung. /picture alliance, TT NYHETSBYRN, Jessica Gow

Stockholm – Der diesjährige Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ehrt die Entdeckung von Rezep­toren für die Wahrnehmung von Temperaturen und Berührungen. Der US-Amerikaner David Julius hat 1 Rezeptor in den Nervenenden identifiziert, der das brennende Gefühl vermittelt, das Capsaicin aus der Chilischote auf Haut und Schleimhaut erzeugt. Ardem Patapoutian aus dem Libanon hat eine neue Grup­pe von Sensoren entdeckt, die Druckgefühle auf der Haut und die Propriozeption vermitteln.

Anfang der 1990er Jahre war zwar bekannt, welche Nervenzellen in der Haut Schmerzreize an das Gehirn weiterleiten. Wie genau diese Schmerzsignale ausgelöst werden, war jedoch unklar. David Julius von der Universität von Kalifornien in San Francisco fand dies 1997 mithilfe von Capsaicin heraus. Die stechende Schärfe des Gewürzes entsteht durch die Reizung von Schmerzfasern in der Schleimhaut.

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Um den Capsaicinrezeptor zu identifizieren, legte das Forscherteam um Julius eine sogenannte Genbi­bliothek aus der gesamten RNA an. Die RNA hatten sie aus Nervenzellen gewonnen, die normaler­weise auf Schmerz, Hitze und Berührung reagieren.

Die RNA, genauer Boten-RNA, repräsentiert die Gene, die in den einzelnen Zellen abgelesen, sprich für die ihre Funktion benötigt werden. Unter diesen Genen vermutete Julius das Gen für den Capsaicin-Rezeptor. Er fand ihn, indem er die RNA-Schnipsel in DNA kopierte und die einzelnen DNA-Schnipsel dann in Zellen einbaute, die normalerweise nicht auf Capsaicin reagieren. Tatsächlich befand sich in der Bibliothek ein Genschnipsel, der den Zellen die Fähigkeit verlieh, auf Capsaicin zu reagieren. Julius stellte seine Ergebnisse in Nature (1997; DOI: 10.1038/39807) vor.

Nähere Analysen ergaben, dass das identifizierte Gen die Information für einen bisher unbekannten Io­nen­kanal enthält, den die Forscher als „Vanilloid-Receptor“ (VR1) bezeichneten. Capsaicin gehört che­misch zu den Vanilloiden. Es stellte sich heraus, dass VR1 nicht nur auf Capsaicin reagiert, sondern gene­rell auf Hitze (Neuron, 1998; DOI: 10.1016/S0896-6273(00)80564-4).

Wenn das Gen aus dem Erbgut von Mäusen entfernt wird, sind die Tiere hitzeunempfindlich (Science, 2000; DOI: 10.1126/science.288.5464.306). VR1 wurde später in TRPV1 („transient receptor potential cation channel subfamily V member 1“, V für „vanilloid“) umbenannt. Julius hatte damit einen speziellen Sensor für starke Hitze entdeckt, die als Schmerzreiz wahrgenommen wird.

Wenige Jahre später identifizierte Julius einen weiteren Rezeptor, der die kühlende Wirkung erklärt, die das Auftragen von Menthol auf der Haut erzeugt (Nature, 2002; DOI: 10.1038/nature719). Er bezeichnete ihn als CMR1 („cold and menthol receptor 1“). Dieser Rezeptor wurde etwa zur gleichen Zeit auch von Ardem Patapoutian am Scripps Research Institute in La Jolla/Kalifornien entdeckt (Cell, 2002; DOI: 10.1016/S0092-8674(02)00652-9). CMR1 wird heute als TRPM8 („Transient receptor potential cation channel subfamily M“, M für „melastatin“) bezeichnet.

Inzwischen wurden weitere Ionenkanäle entdeckt, die wie TRPV1 und TRPM8 durch Temperaturreize aktiviert werden. Die Entdeckung von VR1 durch David Julius war nach Ansicht des Nobelkomitees „der Durchbruch, der es uns ermöglichte, zu verstehen, wie Temperaturunterschiede elektrische Signale im Nervensystem induzieren können.“

Patapoutian erhält seinen Anteil am Nobelpreis für die Entdeckung von Druck- oder Mechanorezeptoren. Erste Hinweise lieferte die Zellinie eines Neuroblastoms, also eines Nervenzelltumors, von Mäusen. Diese Zellen reagierten auf Druck mit einer vermehrten elektrischen Aktivität, was auf die Aktivierung von Ionenkanälen auf der Zellmembran hinwies.

Durch die Analyse der Boten-RNA des Neuroblastoms und die Ausschaltung der Gene bei Mäusen, identifizierte Patapoutian das Gen Piezo1 (Science, 2010; DOI: 10.1126/science.1193270). Durch seine Ähnlichkeit mit Piezo1 wurde ein zweites Gen entdeckt und Piezo2 genannt, das sich in Experimenten in Nature (2014; DOI: 10.1038/nature13980) als der wichtigere der beiden Mechanorezeptoren herausge­stellt hat. Piezo1 und Piezo2 sind Ionenkanäle, die direkt durch einen Druck auf die Zellmembran aktiviert werden.

Später entdeckte Patapoutian, dass Piezo2 auch in den Propriozeptoren von Muskelspindeln und Golgi-Sehnenorganen vorhanden ist. Diese Sensoren sind für die Tiefensensibilität verantwortlich, dank denen Menschen (und andere Lebewesen) auch im Dunkeln wissen, wo sich ihre Gliedmaßen befinden (Nature Neuroscience, 2015; DOI: 10.1038/nn.4162).

Die Entdeckungen von Julius und Patapoutian haben nach Ansicht des Nobelkomitees zu einem „schnel­len Anstieg unseres Verständnisses darüber geführt, wie unser Nervensystem Wärme, Kälte und mecha­nische Reize wahrnimmt.“ Die Preisträger hätten „kritische fehlende Verbindungen in unserem Verständ­nis des komplexen Zusammenspiels zwischen unseren Sinnen und der Umwelt identifiziert“, heißt es in der Begründung. © rme/aerzteblatt.de

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