数以千计的不同气味:困扰科学家30年的谜团被揭开

2022年08月12日 09:09 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

对于主要依靠嗅觉生存的土栖线虫来说,闻或不闻的能力可能是生与死的区别。然而,几十年来,科学家们一直对这些蠕虫如何区分一千多种不同的气味感到困惑。来自多伦多大学的研究人员现在已经确定了这一过程背后的分子机制,并表明它包括一种有助于人类视力平衡的保守蛋白质。他们的发现所产生的后果超出了线虫的嗅觉,甚至可能揭示了人类大脑的功能。

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多伦多大学Temerty医学院的分子遗传学教授兼唐纳利细胞和生物分子研究中心主任Derek van der Kooy是这项研究的首席研究员。秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)是范德库伊实验室进行的神经科学研究中使用的模型生物之一。他们的成果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

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“蠕虫具有令人难以置信的嗅觉--这绝对是惊人的,”该论文的第一合著者、范德库伊实验室的一名新晋博士毕业生Daniel Merritt在上周的论文答辩后说。

“它们可以检测到非常广泛的化合物,例如从土壤、水果、花朵、细菌中释放的分子。他们甚至可以闻到爆炸物和病人尿液中的癌症生物标志物,”他说。

由于拥有大约1300个气味受体,秀丽隐杆线虫是嗅觉冠军,它们的发现始于三十年前。与人类一样,人类有大约400个受体,每个受体都专门用于感知一种类型的气味,但这就是相似之处的结束。

我们的鼻子里有数百个感觉神经元,每个神经元只表达一种受体类型。当气味剂激活一个特定的神经元时,信号沿着其长长的过程或轴突进入大脑深处,在那里被感知为气味。携带不同气味信号的轴突电缆的物理分离使气味辨别成为可能。

然而,这些蠕虫只有32个嗅觉神经元,这些神经元容纳了它们所有的1300个受体。

Merrit说:“很明显,一个神经元一种气味的策略在这里是行不通的。”

然而,这些蠕虫可以区分由同一神经元感知的不同气味。20世纪90年代初的开创性研究表明,当暴露于两种有吸引力的气味时,其中一种是均匀存在的,另一种是局部的,蠕虫会向后者爬去。但这种行为是如何在分子水平上被调节的仍然不清楚。

“似乎这个神经元感应到的所有信息都被压缩成一个信号,然而蠕虫却能以某种方式分辨出上游成分之间的差异。”Merrit说:“这就是我们来到这里的原因。”

Merrit和前硕士生Isabel MacKay-Clackett也是这篇论文的第一作者之一,他们推断,也许蠕虫正在感知气味的强度。

根据他们的假设,随处可见的气味并不是信息量最大的线索,而且会以某种方式变得不敏感,这意味着蠕虫会忽略它们。这将留下弱的气味,这些气味可能对指导行为更有用,能够激活它们的受体并引起信号转导。

他们还对这一现象在分子水平上如何运作有了预感。一种名为抑制蛋白的蛋白质是一种公认的所谓G蛋白偶联受体(GPCRs)的脱敏剂,这是一个感知外部刺激的大型蛋白质家族,气味受体属于该家族。例如,抑制蛋白通过抑制视网膜中光子感应受体的信号传递,使我们能够在强光下调整视觉。

该研究小组想知道,当同一神经元对较强的气味有感觉时,抑制蛋白是否也会在蠕虫中起到使较强的气味受体脱敏的作用,而对较弱的气味则有感觉。为了测试他们的假设,他们让缺乏抑制蛋白基因的蠕虫在培养皿中接触两种不同的诱人气味。他们将一种气味混合到琼脂培养基中,使其均匀,并将蠕虫放在上面。另一种气味被放置在离蠕虫有一定距离的一个地方。

没有抑制蛋白,蠕虫不再能够找到较弱的气味的来源。MacKay-Clackett说,就像人的眼睛在明亮的阳光下眯着眼睛一样,抑制蛋白有助于消除一种过强的感觉--在这种情况下是环境气味--以便蠕虫能够感觉到局部的气味并向它移动。

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