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罗冬根研究组揭示果蝇两类气味受体信号通路特征及嗅觉适应的机制

 

 

         北京大学定量生物学中心、IDG麦戈文脑研究所、生命科学联合中心及生命科学学院罗冬根课题组216日在美国科学院院刊PNASProceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)发表题为“Distinct signaling of Drosophila chemoreceptors in olfactory sensory neurons”的文章,首次实现了对果蝇嗅感觉神经元的单细胞膜片钳记录,并揭示了果蝇两类气味受体信号通路的特征及嗅觉适应的神经机制。

 

         果蝇嗅觉系统与哺乳动物有相似的解剖结构和工作原理,但其神经细胞数目少,便于实验操作。加上果蝇领域内丰富的遗传学工具,果蝇成为嗅觉研究中最常用的模式动物之一。但是,果蝇嗅觉感知的第一步,即果蝇嗅感觉神经元如何将气味刺激转导为神经电信号的机制尚不清楚,阻碍了对嗅觉工作原理的进一步理解。其主要原因是领域内尚未建立果蝇嗅感觉神经元的单细胞电生理记录方法。通过精巧的实验设计与操作,罗冬根课题组解决了这一技术困难,发展了果蝇触角标本上对GFP标记的嗅感觉神经元的膜片钳记录方法。利用此技术,罗冬根课题组研究并比较了两类化学感受器OROdorant ReceptorIRIonotropic Receptor)对气味反应的基本特性。研究发现,ORIR对气味刺激有着不同的反应动力学(Response Kinetics)。OR对气味刺激有强适应性,而IR无适应性。进一步研究发现OR的适应性是由Ca2+介导的。

 

         通过改变[Ca2+]而调节果蝇嗅觉适应的状态,罗冬根课题组发现,在弱气味背景下,嗅觉适应降低了嗅感觉神经元对新增刺激的敏感性;而在强气味背景下,嗅觉适应可通过避免系统饱和而增加对新增刺激的敏感性。所以,嗅觉系统通过适应机制可动态调节嗅感觉神经元对气味刺激的敏感性,从而拓宽其对气味的动态响应范围。这一发现进而提示,感觉神经元的适应可对系统的反应敏感性产生两种相互拮抗的调节:其一,适应引起系统的失敏(Desensitization)降低对新增刺激的敏感性;其二,适应可避免系统饱和(Alleviation of Saturation)而增加对新增刺激的敏感性。该发现更新了感觉神经生物领域内普遍接受的观点(主要来自视觉光感受器的经典研究),即适应在任何背景刺激下都可提高系统的敏感性。

    

     通过与IBM T.J. Watson Research Center及北京大学定量生物学中心的涂豫海老师合作,罗冬根课题组根据以上实验发现及其提示建立了一个数学模型来解释嗅觉适应的调节机制,该模型也很好地解释了视觉光感受器的适应现象。

 

         适应性存在于所有感觉神经系统,该论文成果为理解各种感觉系统如何在维持灵敏度的同时拓宽动态响应范围提供了一个可能的普适机制。

 

 

 

 

 

PNAS论文在线链接:

http://www.pnas.org/content/113/7/E902.full

 

 

 

Fig.4