昆虫嗅觉相关蛋白及嗅觉识别机理研究概述

嗅觉是昆虫产生行为的基础之一,在长期进化的过程中昆虫形成了复杂的嗅觉系统,完成这一过程,需要有多种与嗅觉相关的蛋白参与,包括气味结合蛋白、化学感受蛋白、气味受体和感觉神经元膜蛋白等。了解昆虫感受外界信息的嗅觉机制可以帮助我们更好地理解昆虫识别配偶、天敌及寻找食物来源、产卵场地等行为特征,为进一步调控昆虫的行为、防控害虫侵袭、保护和利用有益昆虫奠定基础。本文综述了昆虫嗅觉相关的几类重要蛋白的生化特性和生理功能,并对昆虫气味分子的识别机制、气味分子在昆虫体内运输机制的最新研究进展进行了概述。     

昆虫气味认知的嗅觉神经结构及分子机制

大多数昆虫主要通过气味认知感知外界环境的变化,维持生命活动。探究昆虫气味认知的嗅觉系统神经结构及分子机制,对于完善气味认知神经生物学理论及利用其原理进行仿生学研究等有重要的科学意义。近年,关于昆虫气味认知科学研究有了很大的进展。本文从昆虫神经生物学的视角详细综述了近年关于昆虫气味认知的嗅觉神经结构、分子机制及气味信号的神经传导途径等方面的基本理论及最新研究成果。综述结果显示:昆虫对气味的认知是通过嗅觉神经系统的触角感器、触角叶(AL)、蕈形体(MB)等脑内多层信号处理神经结构来实现的。当外界气味分子进入触角感器内后,由感器内特定的气味识别蛋白(OBP)将气味分子运载到达嗅觉感受神经元(ORN)树突膜上的受体位点,气味分子与表达特定气味的受体(OR)结合产生电信号,并以动作电位的形式通过ORN的轴突传到脑内的触角叶。在触角叶经过嗅觉纤维球对气味信息选择性加工处理,再由投射神经元(PNs)将初步的识别和分类的气味信息传到蕈形体和外侧角(LH)等神经中枢,实现对气味的识别和认知。虽然,近年昆虫气味认知神经生物学的研究有了很大的进步,但是,我们认为目前的研究成果还不能完全阐明昆虫气味认知的神经机制,还有很多问题,例如,触角叶上众多的嗅觉纤维球是如何对嗅觉感受神经元传入的气味信息进行编码处理的?等有待进一步深入研究。为了搞清这些疑难问题,我们认为需要提高现有的实验技术水平,加强电生理学和分子神经生物学相结合的实验研究,从分子水平探究气味认知的神经机制可能是未来研究的热点。     

昆虫触角气味结合蛋白的研究进展

昆虫触角气味结合蛋白是一类亲水性的酸性蛋白,在触角感器淋巴液中浓度很高,主要分为4种,即性外激素结合蛋白、普通气味结合蛋白1、普通气味结合蛋白2和气味结合蛋白类似蛋白。由于它们在昆虫识别外界气味物质中起着重要的作用,近10年来,国外对其进行了广泛、深入的研究。该文从气味结合蛋白的研究方法、生化特性、分子结构和生理功能等方面进行综述。     

昆虫嗅觉相关可溶性蛋白的研究进展

昆虫在长期进化过程中形成了一套高度敏感的嗅觉系统,通过该系统昆虫可以完成寻觅配偶、定位寄主及选择产卵位点等多种行为。在昆虫嗅觉系统中的可溶性蛋白主要有气味结合蛋白(odorant-binding protein, OBP)和化学感受蛋白(chemosensory protein, CSP)。OBP可以特异性结合并运输疏水性的气味分子相应的受体,是昆虫化学识别过程的第一步,具有十分重要的作用。CSP与OBP的结构和功能类似,主要参与化合物的识别和运输,尽管没有直接的证据表明CSP也参与了昆虫的化学感受过程,但已有研究发现,CSP在昆虫嗅觉系统中发挥着重要的作用。本文主要从分子特性、蛋白结构、表达模式、生理功能等方面分别对昆虫的OBP和CSP进行了概述,为深入的研究两者的功能提供理论参考,进而为以昆虫嗅觉系统为靶标的害虫防治提供新的思路。     

中华蜜蜂气味结合蛋白AcerOBP14的表达及配体结合特性分析

[目的]气味结合蛋白(odorant binding proteins,OBPs)在昆虫寄主定位、产卵地选择等行为中发挥着重要作用,明确中华蜜蜂Apis cerana cerana AcerOBP14与配体的结合特性有助于阐明中华蜜蜂嗅觉识别的分子机制.[方法]通过qRT-PCR测定OBP14在20日龄中华蜜蜂成年工蜂...     

荧光竞争结合技术在昆虫嗅觉相关蛋白结合能力检测上的应用

昆虫嗅觉相关蛋白在其觅食、交配、防御、产卵、信息交流、栖息地选择等行为及生理活动方面起着十分重要的作用。荧光竞争结合试验是目前用于检测昆虫气味结合蛋白(OBPs)和化学感受蛋白(CSPs)与外界环境气味分子结合特性的典型方法。本文对荧光竞争结合试验在昆虫OBPs和CSPs上的相关研究及应用进行综述,为深入了解昆虫嗅觉识别机制、制定害虫防治和经济昆虫保护策略提供理论参考。     

昆虫嗅觉相关蛋白的研究进展

嗅觉是昆虫产生行为的重要物质基础,阐明昆虫嗅觉机理有助于调控昆虫行为和进行害虫治理。近年来,许多与嗅觉相关的生物活性分子和相关基因的发现和克隆,对揭示嗅觉机理具有重要作用。作者针对近年来研究较多的气味结合蛋白、化学感受蛋白、气味受体、气味降解酶以及感觉神经元膜蛋白等,就其生化特性、表达部位、分子结构、生理功能等进行了综述。     

昆虫普通气味结合蛋白研究进展

昆虫气味结合蛋白(OBPs)参与昆虫识别环境中气味信息的第一步反应,在调控昆虫生命活动中起着重要的作用.普通气味结合蛋白(GOBPs)主要参与昆虫对寄主植物挥发物或信息素的识别.本文总结了GOBPs基因的分子特征和生理功能,以及GOBPs基因在不同组织、性别和发育阶段的表达特性;针对GOBPs与性信息素结合蛋白(PBP...     

昆虫感觉气味的细胞与分子机制研究进展

昆虫作为地球上最为成功的类群,已经成功地进化了精细的化学感受系统,通过化学感受系统适应各种复杂的环境,保持种群的繁荣。自1991年在动物中发现嗅觉受体基因以来,关于昆虫感受化学信息的周缘神经系统的分子和细胞机制方面的进展十分迅速。文章主要就昆虫周缘神经系统的感受化学信息的分子和细胞机制进行综述。首先对昆虫感觉气味的细胞机制的研究进展进行简要介绍。昆虫嗅觉神经元在感受化学信息过程中起着极为重要的作用,昆虫嗅觉神经元上表达的嗅觉受体不同而执行着各异的功能。各种嗅觉神经元对于化学信息的感受谱有较大的区别;嗅觉神经元对化学信息类型、浓度、流动动态等产生相应的电生理特征反应。研究表明同一种神经原可以感受多种化学信息,而一种化学信息也可以被多种神经原所感受。由神经原对化学信息感受所形成的特征组合就是感受化学信息的编码。其次较为详细地论述与昆虫感受气味分子相关的一些蛋白质的研究进展。气味分子结合蛋白是一类分子量较小、水溶性的蛋白,主要位于化学感受器神经原树突周围的淋巴液中。在结构上的主要特征是具有6个保守的半光氨酸和由6个α螺旋组成的结合腔。自1981年发现以来,已经在40余种昆虫中发现上百种。由于研究手段的不断进步,已经对该类蛋白的表达特征、结合特性以及三维结构和结合位点进行了大量的研究,提出了多个可能的功能假说,在诸多的假说中,较为广泛接受的是气味分子结合蛋白在昆虫感觉气味的过程中,是与疏水性的气味分子相结合,并将气味分子运输到嗅觉神经原树突膜上的嗅觉受体上。这些处于树突膜上的嗅觉受体则是昆虫感觉气味过程中的另一个十分重要的蛋白质。目前,已经在果蝇、按蚊、蜜蜂和家蚕等10余个昆虫种类中发现上百个嗅觉受体蛋白基因。这类蛋白是跨膜蛋白,一般具有7个跨膜区,整个蛋白的氨基酸残基在400～600个。昆虫的嗅觉受体蛋白的N-端在胞内,而C-端在胞外,这与G耦联蛋白不同。而且,昆虫的一个嗅觉神经元可以表达1～3个嗅觉受体蛋白,也与哺乳动物的一个神经元只表达一种受体蛋白有所不同。每种嗅觉受体可以感受多种气味分子,而一种气味分子可以被多个嗅觉受体所感知,这样组成了感受化学信息的编码谱。最近采用基因敲除技术和膜片钳技术研究发现,昆虫的嗅觉受体蛋白在信号传导中也有特殊性,即嗅觉受体可以直接作为离子通道,而引起动作电位。还有近来的研究表明,神经膜蛋白对于果蝇的性信息素感受神经元感受性信息素cVA是必要的。实际上,昆虫对于化学信息的感受和信号的转导,并不是上述蛋白单独起作用完成的,而是多种蛋白相互作用的结果。论文最后对该领域研究内容进行了展望。     

昆虫气味受体研究进展

嗅觉在昆虫的多种行为中发挥关键作用。气味分子与嗅觉神经元树突上气味受体的结合,参与了昆虫嗅觉识别的初始过程。昆虫的嗅觉神经元表达两类气味受体： 一是传统气味受体,该类受体同源性较低,在少部分嗅觉神经元中表达; 二是Or83b家族受体,该类受体不感受气味,在不同昆虫间较为保守且在大多数嗅觉神经元中表达。目前,对于单个传统气味受体的气味分子配体特异性所知甚少; 对于Or83b家族受体,一般认为其可能具有将传统气味受体运送至嗅觉神经元树突膜上的功能。此外,有一些实验证据不支持昆虫气味受体为G蛋白偶联受体的观点。     

昆虫信息素结合蛋白的研究概况

在昆虫感受信息素的嗅觉反应中,信息素结合蛋白发挥了重要的作用。它作为脂溶性信息素的溶剂和载体,在亲水性淋巴液中起着运载信息素和使之失活的双重作用。由于它在昆虫识别信息素物质中起着重要的作用,近1 0年来,国内外对其进行了广泛、深入的研究。文章从信息素结合蛋白的生化特点、表达情况、代谢以及生理功能等方面的概况进行综述。     

东方蜜蜂气味受体基因Or1和Or2的克隆与序列分析

本研究采用自行设计的引物对东方蜜蜂Apis cerana Fabricius气味受体(odorant receptors)Or1、Or2的部分基因组序列(GenBank登录号为:JN544932,JN544931)进行了克隆、测序和分析,以探寻传统气味受体(AcOr1)和非典型气味受体(AcOr2)基因在近缘种昆虫间的进化差异。试验所得的东方蜜蜂气味受体基因Or1、Or2的序列长度分别为1247bp和1138bp,各包含4个和2个内含子,编码区序列长度分别为682、686 bp。经序列比对发现,两气味受体DNA序列在东、西方蜜蜂及熊蜂间差异较大,最低相似性仅为56%(AcOr1—BtOr82a-like),差异的主要来源为内含子长度及其碱基的变异,而编码区氨基酸序列相似性较高,均达85%以上;从整体分析来看,在膜翅目昆虫中,非典型气味受体AcOr2较传统气味受体AcOr1是相对保守的气味受体基因。     

PARTIAL CLONING AND CHARACTERIZATION OF THE cDNA OF GENERAL ODORANT BINDING PROTEIN 1 GENE IN THE ANTENNA OF HELICOVERPA ARMIGERA (HÜBNER)*

Abstract Using RT‐PCR and RACE techniques, part of the cDNA encoding the general odorant binding protein 1 gene (named as GOBP1‐Harra) from the antenna of Helwoverpa armigera (Hubner) has been cloned. The cDNA length of GOBP1‐Harm is 876 bp. The results of sequencing and structural analysis showed that the mature protein reading frame of GOBPl‐Harm is 435 base pairs in length and 145 amino acids encoded. The predicted MW and pl are 17.0 kD and 4.89, respectively. The deduced amino acid sequence showed a highly similarity to the sequence of GOBP1 from different moth species and shared several common structural features with odorant binding proteins from other insects.     

烟实夜蛾触角普通气味结合蛋白Ⅱ cDNA的克隆、序列分析及在大肠杆菌中的表达

利用RT PCR技术扩增了编码烟实夜蛾Helicoverpa assulta雌、雄虫触角普通气味 结合蛋白Ⅱ的Cdna片段,将其克隆至Pgem-T Easy载体,获得了普通气味结合蛋白Ⅱ基因成熟蛋白阅读框序列。将该基因重组到表达型质粒Pet-30a(+)中,并转化入原核细胞中表达。序列 测定结果表明,烟实夜蛾触角普通气味结合蛋白基因的成熟蛋白阅读框全长489 bp,编码162个 氨基酸残基,预测分子量和等电点分别为18.2 kD和5.35。推导的氨基酸序列与已报道的10种昆虫普通气味结合蛋白Ⅱ高度同源（73%～98%）,并具有气味结合蛋白的典型特征。SDS-PAGE和Western印迹分析表明,经IPTG诱导,普通气味结合蛋白Ⅱ基因能在大肠杆菌BL21(DE3)中表达,电泳检测到一条约23 kD大小的外源蛋白,与预测的融合蛋白分子量大小相应。     

Molecular cloning,expression profile,odorant affinity,and stability of two odorant‐binding proteins in Macrocentrus cingulum Brischke (Hymenoptera: Braconidae)

The polyembryonic endoparasitoid wasp Macrocentrus cingulum Brischke (Hymenoptera: Braconidae) is deployed successfully as a biocontrol agent for corn pest insects from the Lepidopteran genus Ostrinia in Europe and throughout Asia, including Japan, Korea, and China. The odorants are recognized, bound, and solubilized by odorant‐binding protein (OBP) in the initial biochemical recognition steps in olfaction that transport them across the sensillum lymph to initiate behavioral response. In the present study, we examine the odorant‐binding effects on thermal stability of McinOBP2, McinOBP3, and their mutant form that lacks the third disulfide bonds. Real‐time PCR experiments indicate that these two are expressed mainly in adult antennae, with expression levels differing by sex. Odorant‐binding affinities of aldehydes, terpenoids, and aliphatic alcohols were measured with circular dichroism spectroscopy based on changes in the thermal stability of the proteins upon their affinities to odorants. The obtained results reveal higher affinity of trans‐caryophelle, farnesene, and cis‐3‐Hexen‐1‐ol exhibits to both wild and mutant McinOBP2 and McinOBP3. Although conformational flexibility of the mutants and shape of binding cavity make differences in odorant affinity between the wild‐type and mutant, it suggested that lacking the third disulfide bond in mutant proteins may have chance to incorrect folded structures that reduced the affinity to these odorants. In addition, CD spectra clearly indicate proteins enriched with α‐helical content.     

Odorant-dependent, spatially restricted induction of c-fos in the olfactory epithelium of the mouse

Volatile odorous chemicals are detected by around a thousand different G protein-coupled odorant receptors in the mouse. We demonstrated that exposure of the behaving mouse to odorant for a few minutes led to induction of the immediate early gene c-fos for several hours in a fraction of the olfactory sensory neurones in the nasal cavity. Associated with this odorant-specific induction event was activation of extracellular-regulated kinase (ERK)1/2 that preceded increased c-fos expression. The distribution of odorant-activated neurones mimicked the scattered and spatially limited distribution of neurones expressing a single odorant receptor gene. A small change in odorant chemical structure caused a zonal shift in the spatial distribution of activated neurones, suggesting that the gene expression change resulted from specific receptor interaction. Repeated exposure to odorant or use of different concentrations did not change the pattern of c-fos induction. These results indicate that odorant-induced c-fos expression can be used to visualize odorant representations in the olfactory epithelium that reflect late cellular events regulated by adequate odorant receptor stimulation.     

家蚕蛹和成虫期GOBP/PBP亚家族基因簇基因定位与表达分析

昆虫的气味结合蛋白（odorant binding proteins, OBPs）在昆虫与外界环境化学信息交流过程中起着重要作用, 对昆虫觅食、求偶、繁殖具有重要意义。普通气味结合蛋白/性信息素结合蛋白（general odorant binding protein/ pheromone binding protein, GOBP/PBP）是鳞翅目昆虫OBP家族的一个重要单系群。为进一步明确家蚕Bombyx mori GOBP/PBP基因的结构、表达及功能, 本研究利用染色体定位及半定量表达分析方法对其进行了分析。染色体定位分析显示, 这些基因以基因簇的形式存在于第19染色体的nscaf3052上, 基因结构相似, 转录方向一致, 表明这些基因可能由同源基因复制产生, 并具有类似功能。对家蚕蛹和成虫不同发育阶段的雌、雄虫多种组织中进行表达分析发现, 这些基因的表达在不同发育时期和不同组织间差异明显（P<0.05）, 相对表达量均以触角中为最高, 其他非嗅觉组织中也多有表达, 性别间差异不大, 说明了该基因簇基因除了具有嗅觉相关的功能外, 很可能具有其他尚未被发现的功能。