KEYPOINTS： ○ 昆虫的嗅觉受体是一种离子通道。当气息分子与嗅觉受体分离时，离子通道翻开，离子内流，惹起动作电位。 ○ 研讨人员研讨了石蛃的嗅觉受体，发现不同的气息分子与受体的同一口袋对接。这不是经典的锁钥方式，而是一种一对多的分离方式。 ○ 他们发现即便是改动受体口袋中的单个氨基酸，也足以改动受体口袋的分离特性。这可能解释了为什么昆虫的嗅觉受体演化得如此之快，且物种间的差别如此之大。 撰文 | Jordana Cepelewicz 编译 | 阿朔 审校 | Lixia 编辑 | Jiahui，EY 嗅觉（而非视觉），是大多数动物最重要的感官。它使动物们能够找到食物，规避风险以及吸收配偶；它统摄动物的感知并引导其行为；它决议了动物如何解释和应对周围海量的感官信息。 但是，嗅觉也可能是我们的感官中最难以了解的，部分缘由在于它的输入信息的复杂性。我们以为的单一气息——清晨的咖啡味、夏日狂风雨后的湿草味、洗发水味或香水味——通常是数百种化学物质的混合物。关于动物来说，要探测和分辨对其生存至关重要的多种气息，其嗅觉得神经元上有限的受体必须以某种方式辨认大量的化合物。因而，单个受体必须能够对许多不同的、看似无关的气息分子作出反响。 往常，在阐明嗅觉过程的起始阶段方面，新的研讨曾经迈出了至关重要和备受等候的一步。在今年早些时分在线发表的预印本中，洛克菲勒大学的研讨小组初次提供了嗅觉受体与气息分子分离时的分子视图。瑞士洛桑大学的生物学家理查德·本顿（Richard Benton，没有参与这项新研讨）说，自从30年前发现嗅觉受体以来，“这不时是该范畴的一个幻想”。
果蝇的触角。丨图片来源： Science Image of Fruit fly antenna from PS MicroGraphs 这个结果对确认动物如何辨认和分辨海量的气息有很大辅佐。它还阐明了受体活性的关键原理，这可能对了解化学感知的演化、了解其他神经系统和过程如何工作，以及开发诸如靶向药物和驱蚊剂等具有深远意义。 有几个假说争相解释嗅觉受体如何抵达必要的柔性。一些科学家提出，受体对气息分子的单一特征做出反响，好比外形或大小；然后大脑可能经过综合来自不同受体的信息辨认出一种气息。其他研讨人员以为，每个受体都有多个分离位点，可与不同种类的化合物对接。但为了弄分明这些观念中哪个是正确的，他们需求看到受体的实践结构。
从侧面（e）和顶部（f）显现的 MhOR5 （石蛃嗅觉受体）的冷冻电镜结构。丨图片来源： https://doi.org/10.1101/2021.01.24.427933 原始昆虫的嗅觉受体 洛克菲勒研讨小组将研讨方向转向了石蛃的受体相互作用。石蛃是现存最原始的昆虫，有一个特别简单的嗅觉受体系统。 在昆虫中，嗅觉受体是一种离子通道，当气息分子与它们分离时，它们就会被激活，从而惹起动作电位。在世界各地的昆虫物种中有数百万种这样的离子通道，因而嗅觉受体可能是自然界中范围最大、最多样化的离子通道家族。因而，它们必须当心肠均衡共性和特异性，既要有足够的柔性来检测大量的潜在气息，又要有足够的选择性来牢靠地辨认重要的气息（这些气息可能因物种或环境的不同而存在显著差别）。
研讨人员在石蛃（jumping bristletail）身上发现了一种气息受体。这种无翅昆虫的嗅觉系统更简单、更原始，因而是理想的测试对象。丨图片来源： Yasunori Koide 是什么机制让它们能够掌握如此恰恰的方向，并以这种方式演化？用传统的确定蛋白质三维分子结构的措施来研讨嗅觉受体，效果并不理想。在这些措施所需求的条件下，嗅觉受体常常会折叠错误、行为异常或变得难以分辨。但最近的技术进步，特别是一种称为冷冻电子显微术（cryo-electron microscopy）的成像技术，使研讨者们得以尝试新的措施。 他们研讨了三种不同构形下石蛃嗅觉受体的结构：一种是受体自身，一种是与常见的气息分子丁香酚（eugenol，闻起来像丁香）分离，一种是与驱虫剂避蚊胺（DEET）分离。然后，他们将这些结构中止了比较，细微至单个原子，以了解气息分离是如何翻开离子通道的，以及单个受体是如何确认外形与大小都有显著差别的化学物质的。
建模区域的冷冻电镜密度，从上至下：丁香酚分离结构，避蚊胺分离结构，蛋白质的分离前结构。 研讨人员发现，固然作为分子，避蚊胺和丁香酚没有太多共同之处，但它们都与受体的同一位置对接。该位置是一个深而简易的口袋，内侧排列着许多氨基酸，有利于构成涣散的弱相互作用。丁香酚和避蚊胺应用不同的相互作用在口袋内驻留。进一步的计算模仿显现，每个分子能以许多不同的方向分离，而且许多其他种类的气息化合物也能够以相似的方式与受体分离。这不是一对一的锁钥方式，而是一种一对多（one-size-fits-many）的措施。（见段末表示图） 嗅觉受体“正在对分子中止更全面的辨认，而不只仅是检测任何特定的结构特征。”这项研讨的作者瓦妮莎·鲁塔（Vanessa Ruta）说，“这是一个十分与众不同的化学逻辑。” 当鲁塔和她的团队改动受体口袋时，他们发现即便是单个氨基酸的突变也足以改动其分离特性。而这又足以影响受体与许多化合物的相互作用，完整重置受体所起作用的对象。例如，扩展受体口袋，增加了它对避蚊胺（较大分子）的亲和力，而降低了它对丁香酚（较小分子）的亲和力。这可能是由于丁香酚尺寸较小，无法很好契合较大的受体口袋）。这样的变更也会对受体更普遍的气息检测“调色板”（odor-detecting palette）产生下游效应，而研讨人员并没有肯定这些影响。 该小组的察看可能解释了为什么昆虫的嗅觉受体演化得如此之快，在物种间的差别如此之大。每一种昆虫可能都演化出了“自己的共同受体，这些受体十分合适其特定的化学生态位。” “这通知我们，除了受体与一堆配体弱相互作用之外，还有更多的事情在发作。”神经生物学家鲍勃·达塔（Bob Datta）说。一种树立在单一分离口袋周围的受体，其反响剖面（response profile）能够经过微调来调整。假如更普遍地改动该受体的化学成分，可能会加快演化的进程。 该受体的结构也证明了这一观念。鲁塔和她的同事发现，受体由四个蛋白质亚基组成，涣散地分离在通道的中心孔上，就像一朵花的花瓣。随着受体的多样化和演化，只需中心区域是激进的；而控制其他受体单位的基因序列较少遭到限制。这种结构组织意味着受体能够顺应普遍的多样化。 这种受体水平上的细微演化限制可能会对下游的嗅觉神经回路施加庞大的选择压力：神经系统需求良好的机制来解码受体活动的紊乱方式。“实践上，嗅觉系统曾经演化到采取恣意的受体激活方式，并经过学习和阅历赋予它们意义。”鲁塔说。
感官感知的多样性 但是，有趣的是，神经系统似乎并没有为自己减轻工作量。科学家们过去普遍以为，单个嗅觉神经元上的一切受体都属于同一类别，而不同类别的神经元则散布在大脑的不同处置区中。但是，在去年11月发表的两份预印本中，研讨人员讲演说，苍蝇和蚊子的单个嗅觉神经元都表白出多种类型的受体。 鲁塔团队的发现还远不能阐明嗅觉受体是如何工作的。昆虫运用许多其他种类的离子通道嗅觉受体，其中有大量比石蛃的更复杂、更特殊的。在哺乳动物中，嗅觉受体以至不是一种离子通道；它属于一个完整不同的蛋白质家族。 “这是一切物种的恣意受体中气息辨认的第一个结构。但这可能不是气息辨认的独一机制。”鲁塔说。即便如此，她和其他研讨人员以为，我们能够从石蛃的嗅觉受体中学到更多的通用学问。例如，去想象这种机制如何应用于动物大脑中的其他受体——从探测多巴胺等神经调质的受体到受各种麻醉药影响的受体。 她弥补说，或许在其他状况下也应该思索这种柔性分离的措施。例如，今年3月发表在《美国国度科学院院刊》（ PNAS ） 上的一项研讨表明，即便是典型的锁钥离子通道受体也可能不像科学家们以为的那样具有严厉的选择性。 假多么多不同种类的蛋白质经过某种口袋内灵活的弱相互作用与受体分离，那么这一原理能够指导各种疾病（特别是神经疾病）的合理药物设计。至少，鲁塔关于避蚊胺与昆虫嗅觉受体分离的研讨能够为开发有针对性的驱蚊剂提供新见解。她的发理想践上明白了半个多世纪以来关于避蚊胺如何发挥作用的争论。避蚊胺是最有效的驱蚊剂之一，但科学家不时不明白为什么——好比，是它对昆虫而言，气息难闻，还是它会损伤昆虫的嗅觉信号。鲁塔和她同事的研讨提出了一个不同的理论：避蚊胺经过激活许多不同的受体，以无意义的信号淹没其嗅觉系统，使得昆虫紊乱。 “化学认知的奇妙便是借以结构为透镜去研讨。”鲁塔说，“结构生物学，是如此美丽，明白，且具有惊人的解释力。我的实验室在细胞和系统神经科学方面做了很多工作，很少有实验能像结构那样具有解释才干。”
关于作者 Jordana Cepelewicz Jordana Cepelewicz是Quanta杂志的生物专栏作家。她关于数学、神经科学和其他学科的著作也出往常《鹦鹉螺》（Nautilus）和《科学美国人》（Scientific American）上。她于2015年毕业于耶鲁大学，取得数学和比较文学学士学位。 原文： https://www.quantamagazine.org/secret-workings-of-smell-receptors-revealed-for-first-time-20210621/ 1 大脑重生神经元：加速你遗忘的“催化剂” 2 神经元是如何被发现的：“现代神经科学之父”卡哈尔的故事 3 成人大脑长新神经元用来干嘛？ 4 人脑和机器能直接通讯吗？ 5 “红酥手，黄縢酒，两个黄鹂鸣翠柳”哪根神经让你把古诗背串了？ 1 宣传高不可攀的超凡女科学家，是对女性的威吓 | 女科学家去哪了 2 颜宁点评AlphaFold2 + 外行买家秀：蛋白结构预测神器初体验 3 抗癌、递药、渣滓分类，这项来自火箭的黑科技正在展示新玩法 4 庞加莱：最后一个什么都会的科学家丨贤说八道 5 新冠病毒Delta变异株强势回击，防疫需自创疫苗的理想世界数据丨117三人行 特 别 提 示 1. 进入 『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。 2. 『返朴』提供按月检索文章功用。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。 来源： 返朴2021-08-09 1
|
名表回收网手机版
