离子通道的结构揭示了昆虫如何闻遍世界

 行业动态     |      2020-09-15 08:19

蚊子是脚踝和肘部裸露的发誓敌人,它使用微调的气味来定位每道血腥的饭菜。
然而,并非所有昆虫都能嗅出脆弱的肉。例如,蝴蝶不是以脖子为食,而是以花蜜PCR为食,因此擅长闻花香。实际上,每种昆虫的嗅觉系统都是根据物种的特定栖息地和需求量身定制的。洛克菲勒(Rockefeller)科学家小组的一项新研究表明,这种多功能性是由气味剂门控离子通道的独特结构所促进的。Vanessa Ruta及其同事在最近发表于《自然》上的一篇论文中描述了一个这样的离子通道的结构,并提出了一个解释如何进化各种通道以适应各种生态位中的昆虫生活的解释。

昆虫气味受体最早是在二十年前由莱斯利·沃斯哈尔(Leslie Vosshall)鉴定出来的,现在是洛克菲勒大学的罗宾·凯默斯·诺伊斯坦教授。这些结构是昆虫特有的,与人类和其他动物中的气味受体完全不同。多年来,研究人员无法确定他们的长相或工作方式。利用电子显微镜的最新进展,Ruta的研究因此回答了有关昆虫嗅觉和进化的长期存在的问题。

检测多样性

不同的昆虫种类具有不同数量和类型的加味剂受体,反映了蜜蜂,白蚁,蟑螂及其无数昆虫弟兄所闻气味的范围。研究人员估计,已经进化出数千万种受体变体,每种都经过调整以检测特定的化学物质或增香剂。尽管存在这种多样性,但所有受体的功能都相同:它们形成一个离子通道(带电粒子的通道),仅在受体遇到目标气味时才打开。

Gabrielle H. Reem和Herbert J. Kayden副教授Ruta说:“昆虫气味受体很可能是自然界中最大的离子通道家族,它们的多样性令人难以置信。” “因此,我们面临着一个基本的谜团:您如何获得数百万个渠道的变体,这些变体是如此不同,但是却都做同样的事情?” 为了了解昆虫如何实现多样性和一致性之间的微妙平衡,Ruta的团队将目光投向了一个称为Orco的通道亚基。

嗅觉离子通道是由一种Orco蛋白和多种气味受体蛋白组成的,这些蛋白因物种而异。由于Orco在昆虫世界中的表现如此稳定,因此Ruta的团队怀疑,通过研究该亚基,他们可以更好地了解这些通道的工作原理。研究人员使用冷冻电子显微镜(一种通过在冷冻样品上发射电子来分析蛋白质特征的方法)来定义完全由Orco蛋白质构成的通道的结构(称为Orco同源物)。他们发现该通道由一个中心孔组成,该中心孔是离子流过的区域,被四个亚基围绕。他们还观察到亚基在单个点结合在一起,Ruta将其称为锚定域。

她说:“这几乎就像一束花束,每朵花都在中央摆在一起,而茎在不同的方向上张开。”

这种微观花束不仅美观,还提供了有关受体多样性如何进化的线索。以前,还不清楚单个复合物如何物理适应自然界中发现的各种气味 受体,即由不同氨基酸序列组成的蛋白质“茎”如何与Orco结合并彼此和谐地相互作用。她说,然而,一旦Ruta观察到Orco同聚物的结构,这一切都是有道理的。

她说:“如果蛋白质紧密堆积在一起,它们必须彼此化学互补;但是这些亚基却非常松散地堆积在一起-它们几乎没有接触。” “通过将相互作用集中在锚定域中,其余的蛋白质可以迅速多样化并进化。”

把它放在一起

在另一个实验中,研究人员分析了来自四种截然不同的昆虫物种的气味受体他们发现,尽管这些蛋白质相差很大,但它们在孔和锚结构域中具有共同的特征,表明这些受体成分在整个物种中都是保守的。此外,研究人员怀疑Orco具有故障保护功能,可确保如果这些区域发生突变,通道仍可以完成其工作。

该研究的主要作者,研究助理乔尔·巴特威克(Joel Butterwick)表示:“奥尔科(Orco)担当着两个角色:将所有事物保持在一起;它还有助​​于渠道正常运行。“结合不同气味的区域可以自由发展,因为您拥有一个稳定的组件,可以将所有东西结合在一起。”

除了提供对昆虫的见识之外,这一研究领域还可能最终导致人类可以直接受益的创新。至少,蚊虫叮咬会引起瘙痒,刺激性的颠簸。但在世界许多地方,它们也可能传播严重疾病,包括疟疾,寨卡病毒和登革热。预防这些疾病的一种方法是干扰昆虫闻到其人类宿主的能力。

鲁塔说:“我们希望利用我们的结构见解,最终开发出更好的驱蚊剂,并帮助减轻与疟疾和其他蚊媒疾病有关的人类健康负担。”