Відчуття дотику здається нам абсолютно природним — достатньо легкого торкання шкіри, щоб мозок миттєво зрозумів, що сталося. Але на молекулярному рівні цей процес значно складніший. Нове дослідження вчених із дослідницького інституту Scripps Research показало, як один із ключових білків, що відповідає за відчуття дотику, здатний надзвичайно точно розпізнавати механічні впливи.
Коли щось торкається нашої шкіри, спеціальні сенсорні нейрони перетворюють механічний тиск на електричні сигнали, які потім обробляє мозок. Відомо, що центральну роль у цьому процесі відіграє білок PIEZO2. Проте довгий час залишалося незрозумілим, чому він найкраще реагує на невеликі локальні натискання — наприклад, легкий дотик пальцем, — тоді як його близький «родич» PIEZO1 активується переважно під час розтягування клітин, як це відбувається у кровоносних судинах.
Нове дослідження, результати якого опублікували в журналі Nature, допомогло знайти відповідь на це питання. Вчені з’ясували, як саме PIEZO2 розпізнає різні типи механічних сил і чому він, ймовірно, еволюціонував як головний «сенсор» легкого дотику в організмі людини. Ці результати також можуть допомогти краще зрозуміти деякі сенсорні розлади, пов’язані з мутаціями в гені PIEZO2.
Один із авторів дослідження, нейробіолог Ардем Патапутян, у 2021 році отримав Нобелівську премію з фізіології або медицини за відкриття білків PIEZO1 і PIEZO2. Ці білки працюють як іонні канали — своєрідні мікроскопічні «ворота» в клітинній мембрані. Коли на клітину діє механічна сила, канал відкривається, і всередину клітини потрапляють заряджені частинки. Саме цей рух частинок створює електричний сигнал, який і передається нервовою системою як відчуття дотику, положення тіла або навіть деяких видів болю.
Попри майже ідентичну структуру PIEZO1 і PIEZO2, їхня поведінка в клітинах дуже відрізняється. PIEZO2 відіграє ключову роль у соматосенсорній нервовій системі — мережі нейронів, які реагують на дотик. Ці нейрони надзвичайно чутливі навіть до дуже слабких натискань на шкіру. PIEZO1, навпаки, активніше реагує на розтягування клітинної мембрани — наприклад, коли клітина збільшується в об’ємі або зазнає механічного навантаження.
Щоб зрозуміти причину такої різниці, дослідники використали сучасну технологію надточної мікроскопії MINFLUX. Цей метод дозволяє відстежувати положення і рух білків у живих клітинах з точністю до нанометрів — тобто на рівні, що у сотні тисяч разів менший за товщину людської волосини. На відміну від інших методів, наприклад кріоелектронної мікроскопії, які показують лише «застиглі» структури, MINFLUX дає можливість спостерігати, як білки поводяться в реальному середовищі клітини.
Поєднавши цей метод із електричними вимірюваннями іонних потоків, дослідники змогли побачити, як змінюється форма PIEZO2 під час механічного впливу. Виявилося, що цей канал є жорсткішим за PIEZO1 і фізично з’єднаний із внутрішнім «каркасом» клітини — цитоскелетом. Цей каркас складається з білкових ниток актину, які підтримують форму клітини та допомагають передавати механічні сили.
З’єднання між PIEZO2 і цитоскелетом відбувається за допомогою білка filamin-B, який діє як своєрідний «міст» між мембранними білками та актиновими нитками. Коли клітину натискають, це внутрішнє з’єднання передає силу безпосередньо до PIEZO2, що збільшує ймовірність відкриття каналу. Водночас просте розтягування мембрани майже не активує PIEZO2, якщо це з’єднання зберігається.
Дослідники також визначили точну ділянку, де PIEZO2 зв’язується з filamin-B. Коли це з’єднання штучно порушили, поведінка каналу змінилася: у сенсорних нейронах мишей PIEZO2 став менш чутливим до натискання, але почав реагувати на розтягування мембрани — тип сили, який зазвичай для нього нехарактерний.
За словами вчених, це відкриття показує, що клітини можуть тонко налаштовувати свою чутливість до дотику не лише завдяки вибору певних іонних каналів, а й через те, як ці канали фізично інтегровані у структуру клітини. Оскільки filamin-B присутній у багатьох тканинах організму, саме таке «прикріплення» може робити PIEZO2 особливо ефективним для реєстрації ніжних і повсякденних дотиків.
Ці результати також мають важливе медичне значення. Мутації в гені PIEZO2 можуть викликати порушення чутливості до дотику та проблеми з відчуттям положення тіла у просторі, тоді як мутації в filamin-B пов’язані з різними скелетними та розвитковими розладами. Розуміння того, як саме взаємодіють ці білки, допоможе точніше інтерпретувати генетичні дослідження та розробляти нові підходи до лікування сенсорних порушень.
На думку авторів роботи, дослідження змінює наше уявлення про те, як виникає відчуття дотику. Виявляється, що вирішальну роль відіграє не лише структура самого білка, а й те, як він фізично пов’язаний з іншими елементами клітини. Саме ці внутрішні зв’язки визначають, які типи механічних сигналів клітина здатна відчувати — і, зрештою, як ми сприймаємо світ навколо себе.
