辣和热在物理上完全不同,但为什么英文中问食物有多辣(spicy)可以用多热(hot)?原因是进食辣味食物时,人的口腔(包括嘴唇)可以同时产生辣和热两种感觉。然而,辣味并不实际提高口腔的温度。那么,为什么吃辣椒时会同时感到辣和热?这一司空见惯的“常识”,其科学机制直到1997年才被揭开。
旧金山加州大学(UCSF)的David Julius教授,在1997年利用表达克隆(expression cloning)技术,成功找到了辣椒素(capsaicin)的受体——VR1蛋白(Caterina et al., 1997)。VR1是一种离子通道,不仅被辣椒素激活,还能被加热(>43°C)激活。由于辣椒素已知与痛觉通路有关,这一发现同时揭示了温度感受和痛觉外周感受的部分机制。后续研究进一步阐明了痛觉通路(Tominaga et al., 1998;Caterina and Julius, 2001)。
在进化上,辣味和热感是可分离的。鸟类使用VR1分子只感受热,而不感受辣,因为鸟类与哺乳类的VR1蛋白在氨基酸序列上存在差异。Julius实验室于2002年发现并证明了这一差异所在(Jordt and Julius, 2002)。
TRP通道家族
Julius实验室在1997年发现大鼠VR1时,确认它属于TRP(Transient Receptor Potential)通道家族。TRP通道的发现源于1969年:美国普渡大学的William Pak等人研究果蝇视网膜电图(ERG),同年英国爱丁堡大学的Cosens和Manning发现一种突变果蝇,其ERG表现为瞬态感受器电位,因此命名为Trp(Cosens and Manning, 1969)。1989年,加州大学伯克利分校的Craig Montell克隆了果蝇的Trp基因,预测其编码跨膜蛋白(Montell and Rubin, 1989)。但直到Julius实验室1997年的工作,才揭示了TRP通道的直接功能——感受温度和化学刺激。此后,TRP通道研究蓬勃发展,发现了更多成员和功能,例如2002年Julius实验室利用薄荷寻找冷敏感分子,发现了TRPM8(McKemy et al., 2002)。此外,TRP通道还参与压力感受,但2010年Scripps研究所的Patapoutian实验室发现Piezo通道才是更主要的机械力感受离子通道(Coste et al., 2010, 2012)。
视觉、嗅觉、味觉的第一级感受分子都是GPCR(G蛋白耦联受体),而温度、触觉等躯体感觉则主要由离子通道介导,TRP通道家族在其中扮演关键角色。