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。     

昆虫非典型嗅觉受体Orco的功能和分子结构研究进展

嗅觉受体是参与昆虫嗅觉识别过程的一类重要蛋白。在昆虫的众多嗅觉受体中, 有一类受体明显不同于其他受体, 被称为Orco。该受体基因在不同昆虫种间高度保守, 且表达广泛。Orco在昆虫嗅觉识别过程中发挥关键作用。采用基因突变或RNAi等技术使Orco基因沉默后, 昆虫会出现严重的嗅觉缺陷, 但Orco本身不与气味配体结合, 它与传统嗅觉受体形成复合体Or-Orco, 促进传统嗅觉受体在神经元树突膜上的定位并维持其稳定性, 提高传统嗅觉受体对气味反应的效率。昆虫嗅觉受体的结构与脊椎动物的G蛋白偶联受体相似, 均有7个跨膜区, 但二者的膜拓扑结构相反, 昆虫嗅觉受体的N末端位于细胞质膜内, C末端在细胞质膜外, Orco与传统嗅觉受体通过保守的C末端区域相互作用形成一种新型的配体门控离子通道--Or-Orco复合体。阐明Orco在昆虫嗅觉识别中的功能机制, 可为开创基于昆虫嗅觉行为干扰的新的害虫防治措施提供基础。     

大蜡螟气味受体基因Gmel/Orco的克隆与序列分析

为进一步研究大蜡螟嗅觉通讯分子机制和寻求新的大蜡螟防治技术,本研究克隆了大蜡螟Galleria mellonella L.的气味受体基因Gmel/Orco,并对其序列进行生物信息学分析。根据GenBank中已发表的鳞翅目昆虫非典型气味受体家族基因的氨基酸保守序列设计简并引物,采用RT-PCR方法扩增目的基因,将其克隆至T载体并测序。克隆获得大蜡螟气味受体Orco的cDNA序列,命名为Gmel/Orco(GenBank登录号:KT020861),序列分析结果显示,Gmel/Orco开放阅读框长1425 bp,编码474个氨基酸,分子量为53.36 k D,等电点为8.44,序列中有7个跨膜区,N-端在细胞膜内,C-端在细胞膜外。通过在Gen Bank中进行序列的同源性比较,该基因与已公布的鳞翅目螟蛾科、夜蛾科昆虫的非典型气味受体基因序列有较高的同源性。克隆所获得的基因属于非典型气味受体家族基因。     

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。     

欧洲型舞毒蛾气味受体基因OrCo的克隆及序列分析

【目的】克隆欧洲型舞毒蛾Lymantria dispar Linnaeus的OrCo气味受体基因,并分析其序列特征,为进一步研究舞毒蛾嗅觉机制提供有益参考。【方法】本研究利用RT-PCR和RACE方法,克隆获得欧洲型舞毒蛾OrCo受体基因cDNA全长序列,将该基因命名为LdisOrCo,在GenBank中的登录号为KF482409。【结果】序列分析结果显示,LdisOrCo开放阅读框全长为1 311 bp,编码436个氨基酸,序列中有7个跨膜区和高度保守的C端区域。序列联配分析表明,LdisOrCo基因的氨基酸序列与近缘种灰翅夜蛾(Spodoptera littoralis Or83b)的同源性高达89%,与鞘翅目台湾黑金龟(Holotrichia plumbea Or83b)同源性高达64%,与已经报道的其他昆虫的嗅觉受体同源性都在60%以上,特别是在C端几乎完全一致。【结论】嗅觉受体OrCo(Olfactory receptor coreceptor)在不同昆虫体内高度保守,克隆欧洲型舞毒蛾OrCo基因可以为进一步研究舞毒蛾气味受体的功能,OrCo基因的进化以及揭秘嗅觉机制奠定基础。     

锤胁跷蝽YsigOrco基因的克隆、鉴定与表达

昆虫对气味的识别需要专门的嗅觉受体ORs,而嗅觉受体需要与一个保守的非典型嗅觉受体Orco结合成异源杂合体才能起嗅觉作用。有关Orco的同源基因在其它种昆虫中已经被鉴定出来。本研究通过对前期锤胁跷蝽触角转录组数据分析和RT-PCR,也鉴定出了一个Orco基因,并通过q RT-PCR对该基因的组织表达谱进行分析。结果表明,锤胁跷蝽Orco基因ORF全长1 425 bp,编码474个氨基酸残基,包含7个跨膜区,其中C端在膜外,N端在膜内;氨基酸序列对比发现,该基因与其它昆虫Orco同源基因相似度较高,因此,将该基因命名为Ysig Orco(基因登录号:KY883444);实时荧光定量PCR分析显示,Ysig Orco在锤胁跷蝽的雌虫和雄虫触角中表达量较高,但二者之间差异不显著,在胸部、足和喙等不同组织中有少量表达。     

2004年度诺贝尔生理学和医学奖简介

2004年诺贝尔生理学和医学奖颁发给两位美国科学家理查德·阿克塞尔(Richard Axel)和琳达·巴克(Linda Buck).他们发现嗅觉系统中一个大家族基因,这一大家族基因可以表达等量的嗅觉受体类型.这些受体位于鼻腔上皮的嗅觉神经元上,以检测不同的气味分子.     

嗅球对嗅觉信息的处理

哺乳动物的嗅觉系统拥有惊人的能力,它可以识别和分辨成千上万种分子结构各异的气味分子。这种识别能力是由基因决定的。近年来,分子生物学和神经生理学的研究使得我们对嗅觉识别的分子基础和嗅觉系统神经连接的认识有了质的飞跃。气味分子的识别是由一千多种气味受体完成的,鼻腔中的嗅觉感觉神经元表达这些气味受体基因。每个感觉神经元只表达一种气味受体基因。表达同种气味受体的感觉神经元投射到嗅球表面的一个或几个嗅小球中,从而在嗅球中形成一个精确的二维连接图谱。了解嗅球对气味信息的加工和处理方式是我们研究嗅觉系统信号编码的一个重要环节。文章概述并总结了有关嗅球信号处理的最新研究成果。     

昆虫嗅觉受体及其介导的信号转导机制研究进展

高度灵敏的嗅觉系统,能够帮助昆虫准确识别环境中不同来源的挥发性化合物,在昆虫觅食、交配和产卵等生命活动过程中起着至关重要的作用.通过感觉神经元膜上数量巨大且种类繁多的嗅觉受体,昆虫可以识别不同的气味物质,进而调控其行为.已知的昆虫嗅觉受体主要有三种,离子型受体、气味受体和响应二氧化碳及信息素的味觉受体.目前嗅觉受体的分子结构及其介导的信号转导机制仍然没有得到完整的阐释,嗅觉受体配体的鉴定工作也还任重道远.本综述就昆虫嗅觉受体的结构、进化、功能表征方法以及气味受体介导信号转导的机制等方面的研究进展进行了综述,以期对研究昆虫嗅觉编码和调控,以及昆虫与植物间互作提供一定的理论参考.     

“嗅觉机制”研究的新进展

人类可能会辨出近50万种不同的气味,但对于鼻腔深处发生的嗅觉的机制,仍在探索之中。以色列魏茨曼科学研究所的恩伯特·佩斯,伊曼纽尔·汉斯基等科学家对脊椎动物嗅觉机制的探索初见端倪。他们发现在做实验用的青蛙嗅纤毛中,腺苷酸环化酶的浓度非常高,当嗅纤毛受到4种不同气味的混合气体刺激时,该酶的活性增加了。科学家们认为,嗅觉敏感细胞对气味分子的反应似乎和细胞对激素的反应是相似的。他们在嗅纤毛中还发现一种和G-蛋白质大小和性质相同的蛋白质。所以,他们认为嗅觉的产生可能是以如下程序发生的:当有气味的气体分子和嗅纤毛膜上的受体分子结合后,     

2010-2019年北京地区腹泻患儿中人腺病毒41型Fiber基因分子特征和进化分析

人腺病毒41型(Human adenovirus 41,HAdV-41)是引起儿童腹泻的重要病原之一.为了解北京地区腹泻儿童中HAdV-41 Fiber基因的分子变异和遗传进化特征,选取2010-2019年首都儿科研究所附属儿童医院门诊腹泻患儿HAdV-41阳性的粪便标本,扩增Fiber全基因,使用多种生物信息学软件进行系统发生、遗传进化、种群演变和选择压力等分析.结果显示HAdV-41本地毒株存在1644碱基(547氨基酸)和1689碱基(562氨基酸)两种长度的Fiber基因,截短的15个氨基酸位于Fiber蛋白纤维轴区.Mann-Whitney U秩和检验提示检测到感染短Fiber基因的HAdV-41的患儿年龄更小(P=0.036).同源性分析结果显示Fiber基因的核苷酸和氨基酸序列同源性均大于97％,主要分为四个进化分支(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ),其中Ⅰ和Ⅲ是主要的流行分支,分支Ⅰ主要在国内流行,而分支Ⅲ全球均有流行.HAdV-41共祖起源可追溯到1856年,平均进化速率每年为6.81×105碱基替换/位点,10年间理论有效种群一直比较平稳呈缓慢下降趋势.压力选择分析表明,一个正向和三个负向选择位点均位于Fiber蛋白的纤维轴区.上述结果表明2010-2019年间不同进化分支的HAdV-41在北京地区流行,进化速率稳定.Fiber蛋白轴区存在两种不同类型的氨基酸缺失.     

两种功能气味受体在同一神经元中共表达

嗅觉研究领域的基本原则之一是每个嗅觉受体神经元(ORN)表达单一的嗅觉受体。但是,耶鲁大学的J.R.Carlson的实验室构建了果蝇下颚须的完整的嗅觉受体与神经元的关系图谱,发现2种受体基因共表达于同一类ORN中。Goldman等人经RT-PCR和原位杂交发现了7种气味受体基因,而果蝇的上颚须仅有6类ORN,由此他们提出至少有一类ORN中表达多于一种气味受体基因的假说。研究者通过运用GAL4-UAS表达体系,原位杂交技术和缺失气味受体基因的ORN的果蝇突变体发现基因Or33c和Or85e共表达于pb2A类的ORN中,而且这种共表达在45百万年前即已存在,首…     

昆虫的气味受体

在从蠕虫到人类在内的很多生物中,嗅觉提示是由7种跨膜受体的大家族来探测的,这些受体此前一直被划分为G-蛋白耦合受体。然而,昆虫形成了非常简单而有效的嗅觉,在这种嗅觉中,气味受体需要第二个成分才能正确发挥功能,该成分便是“铁通道形成伴护蛋白Or83b”。Sato等人发现,这些     

昆虫外周嗅觉系统信号转导机制研究进展

嗅觉对昆虫的生存至关重要.长期的进化中,昆虫发展了一套完备的嗅觉系统.在昆虫嗅觉识别过程中,有多种嗅觉蛋白参与其中.在过去的十几年中,随着生物信息技术的发展,与昆虫嗅觉识别相关的基因家族得到了鉴定,如气味受体、离子型受体等,结合电生理及行为学方面的研究,这些基因的功能也逐步得到了验证,使对昆虫嗅觉识别的分子基础有了更深入的理解.本文综述了与昆虫外周嗅觉系统神经转导过程相关的嗅觉蛋白的生化特性及生理功能,概述了昆虫外周嗅觉系统神经转导机制的最新研究进展.     

昆虫的气味受体

在从蠕虫到人类在内的很多生物中,嗅觉是由7种跨膜受体的大家族来探测的,这些受体此前一直被划分为G-蛋白耦合受体。然而,昆虫形成了非常简单而有效的嗅觉,在这种嗅觉中,气味受体需要第2个成分才能正确发挥功能,该成分便是“铁通道形成伴护蛋白Or83b”。Sato等人发现,这些异型受体形成受配体门控的阳离子通道它们并不依赖于G-蛋白耦合的第2种信使;他们猜测,其他7种跨膜受体也许能够表现出类似的铁通道活性。     

西方蜜蜂毒蕈碱型乙酰胆碱受体基因的生物信息学分析

利用生物信息学方法分析了西方蜜蜂 Apis mellifera毒蕈碱型乙酰胆碱受体的核酸和氨基酸序列,并对其组成成分、疏水/亲水区、跨膜拓扑结构域、分子系统进化关系进行了预测和推断.结果显示,该受体定位在第8条染色体上,由618个氨基酸组成,分子量69 906.5D,等电点(pI)8.56;是G蛋白偶联型受体,含N-糖基化位点、蛋白激酶C磷酸化位点、cAMP/cGMP依赖蛋白激酶磷酸化位点.     

嗅觉受体基因的研究进展

嗅觉在动物的生命活动中起着重要的作用, 与嗅觉相关的基因主要是嗅觉受体(Olfactory receptor, OR)基因。文章介绍了嗅觉受体基因的结构、表达调控、分布、分子进化及其多态性研究进展, 并讨论了该基因与嗅觉功能和嗅觉障碍的关系。     

海洋哺乳动物信息素嗅觉的分子进化

研究感觉基因的进化规律是动物进化领域长期探索的重要问题.哺乳动物通常具有2套嗅觉系统:主要嗅觉系统(MOS)和犁鼻器系统(VNS).其中,VNS主要感知动物个体释放的信息素分子,而信息素在动物的生殖和社会行为中起重要调节作用.为了研究动物信息素嗅觉进化的背后推动力,对海洋哺乳动物的代表物种进行了Trpc2基因(VNS功能的分子标记)的序列测定和进化分析.以前的研究表明,Trpc2基因仅在VNS中表达,其序列完整/缺失与VNS的功能完整/退化完全一致.本研究结果显示,鲸类和海牛类的Trpc2为假基因,鳍脚类的1个分支类群(海豹类)和水獭类的Trpc2也是假基因,提示VNS功能丢失,即信息素嗅觉功能退化;而北极熊和鳍脚类的另一个分支类群(海狮类)保留了1个完整的Trpc2,并且这个基因仍受强烈的净化选择和功能限制,提示信息素嗅觉功能仍然保留.进一步分析表明,信息素嗅觉退化的海兽主要在水中交配,而信息素嗅觉保留的海兽主要在陆地上交配.本研究提出了一个新的科学假说:交配场所的选择可能推动了海洋哺乳动物信息素嗅觉的进化.     

复杂的正选择压力驱动不同细胞嗜性HIV-1的进化

对HIV-1细胞嗜性的研究是理解HIV-1传播和发病机制的关键.通过对HIV-1B和C亚型的R5和X4型病毒的全基因组进行适应性进化分析,发现R5和X4病毒经历了不同的进化方式,并且不同的HIV-1基因受到不同的正选择压力,意味着复杂的自然选择压力驱动HIV-1的进化.分析HIV-1Gp120超变区上的正选择位点,发现相对于其他超变区,更多的正选择位点发生在B亚型X4病毒的V3区,B亚型R5病毒的V2区以及C亚型X4病毒的V1和V4区域.因为这些区域通常影响和决定HIV-1的细胞嗜性,更多的正选择发生在这些特定的超变区意味着作用于Gp120上的选择压力与Gp120的受体识别和结合功能有关.值得注意的是,无论是B和C亚型还是R5和X4型病毒,显著更多的正选择位点发生在Gp120的C3区域（33.3%～55.6%,P〈0.05）,意味着C3区对HIV-1的生存和适应比先前认识的更为重要.另外,在R5和X4病毒的env基因中,约有一半的正选择位点是相同的,尤其是Gp41上的第96,113和281位正选择位点均出现在所分析的4种病毒类型中.这些共同的正选择位点不仅意味着对病毒生存和适应的重要性,也意味着R5和X4存在交叉免疫源性位点的可能性,这对于AIDS疫苗的发展具有重要意义.     

趋化因子及其受体家族分子适应性进化分析

Branch-Site模型是检测基因序列中单个密码子位点是否具有选择作用的统计学方法。该模型能有效地检测基因在进化历程中是否受到选择作用, 并预测出那些在进化过程中对功能分化有重要贡献的、受正选择作用的密码子位点。趋化因子是一类控制免疫细胞定向迁移的细胞因子, 其功能行使由趋化因子受体介导。该文用Branch-Site模型分析趋化因子及其受体基因家族的分子适应性, 发现只有少数种类基因受到正选择作用, 如RANTES、CCR5等。并预测出一些可能受到正选择作用的位点, 蛋白3D分析显示, 它们均位于趋化因子和相应受体相互作用的结构区域。