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。     

昆虫气味结合蛋白的研究进展

昆虫主要依赖其复杂且灵敏的化学感受系统来识别并区分外界环境中的各种化学信号。嗅觉是负责嗅觉信号传导的感官方式,能够引起昆虫觅食、产卵、交配和躲避天敌等对生存和繁殖至关重要的行为反应。在嗅觉感知过程中,气味结合蛋白(odorant binding proteins, OBPs)最先与外界脂溶性化学物质相互作用,并将其转运至化学受体神经元上,激活树突膜表面分布的嗅觉受体(olfactory receptors, ORs),是嗅觉系统正常运行的必需蛋白。近年来,随着高通量测序和分子生物学技术的快速发展,越来越多的昆虫OBPs相继得以鉴定并开展功能研究。昆虫OBPs是一类可溶性的小分子蛋白,一般由6个α-螺旋构成一个稳定、紧密的疏水性结合腔,其构象变化因昆虫种类和配体结构不同而有所差异。OBPs的分布不受限于嗅觉器官,还在口器、足、中肠、腺体等非嗅觉组织中表达,具有嗅觉识别、味觉感受、营养物质转运、信息素合成与释放、组织发育与分化等生理功能。OBPs行使以上功能的共同特性为结合和溶解包括信息素组分、普通气味分子和非挥发性物质等的疏水性小分子物质。昆虫OBPs的稳定性和多功能性暗示其可广泛应用于...     

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。     

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。     

嗅觉受体在非嗅觉组织和细胞中的作用及其机制

嗅觉受体(olfactory receptor)不仅表达在鼻腔中,还广泛表达在全身其他部位,起着重要的生理作用.本文综述了非嗅觉组织和细胞中表达的嗅觉受体及其功能,这些嗅觉受体通过调控细胞周围的内源性化学物质,维持正常的生理功能,并且能在选定的外源性配体刺激下,表现出特定的功能.在医药领域,大约有40%上市药物的作用靶点都来自于G蛋白偶联受体(GPCR)家族,而嗅觉受体是GPCR中最大的基因家族,鉴于其表现出的重要作用,我们推测这些嗅觉受体可能成为未来重要的药物靶标.本文对非嗅觉组织和细胞中嗅觉受体功能的综述,一方面有利于将其作为潜在药物靶点,开发新的药物,另一方面也为中药中挥发性单体的药理作用提供了新的研究思路.     

昆虫嗅觉相关蛋白的结构和功能

昆虫在长期进化的过程中形成了复杂的嗅觉系统,气味剂结合蛋白(odorant binding proteins,OBPs)、嗅觉受体(olfactory receptors,ORs)是其最主要的组分.其主要作用是结合外围挥发性的气味分子并将信号传递给细胞内的第二信使.OBPs和ORs的结构、功能、表达、进化是昆虫行为与进化关系的重要研究领域和研究热点.本文主要总结了近年来昆虫OBPs和ORs的结构特点、生理功能、表达特点、遗传进化等方面研究的最新进展,对OBPs和ORs的研究趋势进行了展望,为昆虫嗅觉系统进化研究及寻找害虫防治新途径提供参考信息.     

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。     

脊索动物嗅觉受体基因命名法的发展

嗅觉受体属于G蛋白偶联受体家族,在脊索动物的整个生命周期中都扮演着至关重要的角色。与其他多数基因家族不同,嗅觉受体家族是一个成员数量庞大的超基因家族,为它们合乎逻辑的命名可以更好地对该家族进行描述、分析和讨论,也可以为机器学习程序从庞大的嗅觉受体数据库自动构建相应的蛋白结构和功能知识库提供语义信息。由于脊索动物嗅觉受体演化速度很快、基因数量庞大、假基因比率高、在物种及染色体上分布差异巨大等多方面的原因,给嗅觉受体基因合理的命名较为困难。三十多年来,伴随着嗅觉受体研究领域的发展,嗅觉受体基因命名法也经历了多次迭代,在每个阶段都发挥着积极的作用。随着测序技术和生物信息学算法工具的发展,随之而来的是新注释的海量的嗅觉受体基因,这使已有的嗅觉受体基因命名法变得越来越难以适应大数据挖掘和知识工程的系统开发,因此迫切需要一个能满足当下需求的嗅觉受体基因命名法。     

棉铃虫嗅觉受体基因的克隆及组织特异性表达

昆虫嗅觉受体是一个高度变异的蛋白家族,但是其中一类嗅觉受体很特殊,它们在不同昆虫体内高度保守。该文作者从棉铃虫Helicoverpa armigera体内克隆得到了这类受体基因,命名为ORHarm。ORHarm编码473个氨基酸残基,序列中有7个跨膜区,是典型的G蛋白偶联的受体。ORHarm与已经报道的昆虫同类嗅觉受体的同源性在60％以上,与近缘种烟芽夜蛾Heliothis virescens嗅觉受体的同源性高达99.4％。半定量RT-PCR研究表明,ORHarm主要在棉铃虫成虫触角中表达,在喙中也有表达,但表达量较低,在成虫其他的部位不表达;在棉铃虫发育的各个时期,如卵、幼虫、蛹和成虫体内,也都有表达。ORHarm不仅在感受挥发性气味物质的过程中起着重要的作用,而且也参与液态化学刺激的识别过程。     

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。     

Atypical Membrane Topology and Heteromeric Function of Drosophila Odorant Receptors In Vivo

Drosophila olfactory sensory neurons (OSNs) each express two odorant receptors (ORs): a divergent member of the OR family and the highly conserved, broadly expressed receptor OR83b. OR83b is essential for olfaction in vivo and enhances OR function in vitro, but the molecular mechanism by which it acts is unknown. Here we demonstrate that OR83b heterodimerizes with conventional ORs early in the endomembrane system in OSNs, couples these complexes to the conserved ciliary trafficking pathway, and is essential to maintain the OR/OR83b complex within the sensory cilia, where odor signal transduction occurs. The OR/OR83b complex is necessary and sufficient to promote functional reconstitution of odor-evoked signaling in sensory neurons that normally respond only to carbon dioxide. Unexpectedly, unlike all known vertebrate and nematode chemosensory receptors, we find that Drosophila ORs and OR83b adopt a novel membrane topology with their N-termini and the most conserved loops in the cytoplasm. These loops mediate direct association of ORs with OR83b. Our results reveal that OR83b is a universal and integral part of the functional OR in Drosophila. This atypical heteromeric and topological design appears to be an insect-specific solution for odor recognition, making the OR/OR83b complex an attractive target for the development of highly selective insect repellents to disrupt olfactory-mediated host-seeking behaviors of insect disease vectors.     

Atypical membrane topology and heteromeric function of Drosophila odorant receptors in vivo

Drosophila olfactory sensory neurons (OSNs) each express two odorant receptors (ORs): a divergent member of the OR family and the highly conserved, broadly expressed receptor OR83b. OR83b is essential for olfaction in vivo and enhances OR function in vitro, but the molecular mechanism by which it acts is unknown. Here we demonstrate that OR83b heterodimerizes with conventional ORs early in the endomembrane system in OSNs, couples these complexes to the conserved ciliary trafficking pathway, and is essential to maintain the OR/OR83b complex within the sensory cilia, where odor signal transduction occurs. The OR/OR83b complex is necessary and sufficient to promote functional reconstitution of odor-evoked signaling in sensory neurons that normally respond only to carbon dioxide. Unexpectedly, unlike all known vertebrate and nematode chemosensory receptors, we find that Drosophila ORs and OR83b adopt a novel membrane topology with their N-termini and the most conserved loops in the cytoplasm. These loops mediate direct association of ORs with OR83b. Our results reveal that OR83b is a universal and integral part of the functional OR in Drosophila. This atypical heteromeric and topological design appears to be an insect-specific solution for odor recognition, making the OR/OR83b complex an attractive target for the development of highly selective insect repellents to disrupt olfactory-mediated host-seeking behaviors of insect disease vectors.     

An olfactory receptor from Apolygus lucorum (Meyer-Dur) mainly tuned to volatiles from flowering host plants

Apolygus lucorum (Meyer-Dür) (Hemiptera: Miridae) is one of the most serious agricultural pests, feeding on a wide range of cultivated plants, including cotton, cereals and vegetables in the north of China. This insect can frequently switch between habitats and host plants over seasons and prefer plants in bloom. A. lucorum relies heavily on olfaction to locate its host plants finely discriminating different plant volatiles in the environment. Despite its economical importance, research on the olfactory system of this species has been so far very limited. In this study, we have identified and characterized an olfactory receptor which is sensitively tuned to (Z)-3-Hexenyl acetate and several flowering compounds. Besides being present in the bouquet of some flowers, these compounds are produced by plants that have suffered attacks and are supposed to act as chemical messengers between plants. This OR may play an important role in the selection of host plants.     

昆虫毒蕈碱型乙酰胆碱受体的研究进展

毒蕈碱型乙酰胆碱受体(Muscarinic Acetylcholine Receptors,mAChRs)是昆虫神经系统中一类重要的G蛋白偶联受体.昆虫mAChRs可以分为A、B、C型三大类,它们通过偶联不同的G蛋白激活不同的第二信使,完成信号转导过程,从而发挥其功能.mAChRs参与调控昆虫多种生理反应和行为过程,如...     

棉铃虫成虫感觉神经元膜蛋白(SNMP)表达及其与Gqα的关系(英文)

昆虫嗅觉对昆虫的取食、求偶、寻找产卵场所、搜寻寄主或猎物至关重要。 有研究认为感觉神经元膜蛋白（SNMP）和Gq蛋白α亚基（Gqα）参与信号转导。为了阐明snmp的空间表达情况并确定Gqα是否与SNMP直接结合, 我们采用半定量RT-PCR技术对snmp在棉铃虫Helicoverpa armigera (Hübner)成虫的触角、头、胸、腹、足、翅、喙、下颚须和下唇须的分布情况进行了研究, 并利用酵母双杂交技术对SNMP与Gqα的关系进行了研究。半定量RT-PCR研究发现, snmp不仅在棉铃虫成虫的触角中表达, 而且在喙、下颚须、下唇须及足上都有表达。利用酵母双杂交技术研究发现, Gqα 与SNMP不直接相互作用, Gqα不是SNMP的直接下游结合蛋白。这些研究结果说明,SNMP不仅参与气味识别而且也参与味觉识别; SNMP可能与气味受体（OR）形成复合物, 然后与Gqα结合, 这需要我们进一步深入的研究进行证明。     

基因组水平蝙蝠嗅觉受体基因的分子进化

翼手目动物（俗称蝙蝠）的食性分化显著,不同食性的蝙蝠具有显著不同的嗅球大小。为了研究嗅觉是否影响了蝙蝠食性的进化,我们利用网上已公布的10种蝙蝠基因组的数据,通过同源比对的方法鉴定出所有的嗅觉受体基因,并进行嗅觉受体基因亚家族的分类,进而比较嗅觉受体基因亚家族的数目差异。结果显示,蝙蝠的嗅觉受体基因与其它哺乳动物一样,都可以分为13个单系起源的亚家族;在Yinpterochiroptera亚目中,OR1/3/7、OR2/13、OR5/8/9等3个嗅觉受体亚家族在食果蝙蝠中均发生了不同程度的扩张,基因数目显著地多于食虫蝙蝠,提示嗅觉在食果蝙蝠取食过程中具有重要的作用。因此,本研究在基因组水平上重现了蝙蝠嗅觉受体基因的进化历史,揭示了3个嗅觉受体基因亚家族的功能可能与食果蝙蝠的食性相关,突出了嗅觉对动物食性的重要作用.