靠嗅觉生存的线虫如何区分气味？新研究解开长达30年之久的蠕虫嗅觉之谜

线虫可以区分1000多种气味，但它们是如何做到这一点的，这让科学家们困惑了几十年。一项新的研究发现，一种名为arrestin的蛋白质是这一过程的关键，这一结论有助于解释人类大脑如何处理信息。

　　

对于主要依靠嗅觉生存的土壤线虫，闻不闻得到是一个生死攸关的问题。但是，这些线虫是如何区分一千多种不同气味的，这一问题困扰了科学家几十年。

多伦多大学Temerty医学院生物分子研究中心的Derek van der Kooy教授团队的研究人员发现了这一过程背后的分子机制，还有助于解释我们的大脑是如何工作的。该实验室以其神经科学研究而闻名，使用模式生物秀丽隐杆线虫。文章发表在新一期的PNAS上。

线虫主要依靠嗅觉来获取有关外部世界的信息，其基因组中编码超过 1,000 种嗅觉受体。秀丽隐杆线虫拥有大约1300种气味感受器，这些感受器在30年前就被发现了。“线虫有令人难以置信的嗅觉——这绝对是惊人的，”该论文的第一个合著者Daniel Merritt说，“它们可以检测到各种各样的化合物，比如从土壤、水果、花朵和细菌中释放的分子。他们甚至可以在病人的尿液中闻到炸药和癌症生物标志物。”

在哺乳动物的嗅觉系统中，嗅觉信号之间的串扰通过物理隔离最小化：单个神经元表达嗅觉受体中的一种或几种。物理隔离使得不同的刺激在信号转导过程中分离。例如人类大约有400个感受器，每个感受器都负责感知一种气味。我们的鼻子排列着数百个感觉神经元，每个神经元只表达一种受体类型。当一种气味激活一个特定的神经元时，信号会沿着大脑的长过程或轴突深入到大脑深处，在那里它被感知为气味。嗅觉辨别是通过感受不同气味信号的神经元的物理分离实现的。

但在秀丽隐杆线虫仅有32个嗅觉神经元，1,300多个嗅觉受体要在 32 个嗅觉神经元中表达，每个嗅觉神经元需要表达许多受体，“显然，一个神经元一个气味的策略在这里行不通”。线虫中的所有嗅觉受体似乎都通过相同的少数几种下游分子发出信号，这就提出了一个困扰科学界几十年的问题：线虫如何区分一种气味和另一种气味？

线虫可以区分由同一个神经元感知的不同气味。20世纪90年代早期的开创性研究表明，当暴露在两种有吸引力的气味中，其中一种是均匀存在的，另一种是局部的，蠕虫会爬向后者。但是这种行为在分子水平上是如何调控的还不清楚。“似乎一个神经元感知到的所有信息都被压缩成一个信号，然而线虫可以以某种方式告诉上游不同信息之间的区别。这就是我们要解决的问题。”作者之一的Isabel MacKay-Clackett表示，他们推断，也许线虫能够感知气味的强烈程度。根据假设，无处不在的气味并不是最有信息的线索，并且会以某种方式变得不敏感，这意味着线虫会忽略它们。这将使微弱的气味能够激活它们的受体并引起信号转导，而这种气味在引导行为方面可能更有用。这就有点像通过抑制视网膜中光子感应感受器发出的信号，我们可以在明亮的光线下调节视觉。

他们注意到一种名为arrestin的蛋白质是G蛋白偶联受体(GPCRs)的成熟脱敏剂，GPCRs是一种感知外部刺激的蛋白质家族，气味受体属于该家族。研究小组想知道，当两种气味都被同一个神经元感知时，arrestin是否也会在线虫身上起作用，使它们对较强气味的感受器脱敏，而对较弱气味的感受器产生响应。为了验证他们的假设，他们将缺乏β-arrestin基因的线虫暴露在培养皿中两种不同的吸引人的气味中。他们将一种气味混合到琼脂培养基中，使其均匀，然后将蠕虫放在上面。另一种气味被放置在离蠕虫一段距离的地方。

没有了β-arrestin，线虫就再也找不到微弱气味的来源了。MacKay-Clackett说，就像人眼在明亮的阳光下眯起眼睛一样，β-arrestin有助于消除一种强烈的感觉——在这种情况下是周围的气味——这样线虫就能感知一种局部的气味并朝它移动。

然而，当气味被不同的神经元感知时，就不需要arrestin了，这表明当气味信号通过不同的轴突传递时，线虫采用了与脊椎动物相同的辨别策略。研究小组观察了不同的气味和神经元，发现它们都遵循相同的逻辑。他们还使用药物来阻断β-arrestin，并发现这也废除了嗅觉歧视。

研究结果证实，线虫的嗅觉辨别是通过蛋白质arrestin对刺激的嗅觉受体的脱敏发生的，要脱敏的特定受体由蛋白质 GRK-1 标记，β-arrestin 介导的嗅觉受体脱敏，在激酶 GRK-1 下游起作用，能够区分神经元内的嗅觉刺激。秀丽隐杆线虫利用 β-arrestin 脱敏以最大限度地提高对新气味的反应性，尽管单细胞中有大量嗅觉受体信号传导，但仍允许对嗅觉刺激做出行为上适当的反应。这代表了线虫嗅觉辨别的根本是区别于哺乳动物解决方案的，它能够经济地使用有限数量的感觉神经元。这解决了线虫嗅觉生物学中一个长期存在的问题，并揭示了神经元内嗅觉辨别的基本机制。

这一发现意义重大，因为它是第一个证明arrestin可以微调多种感觉的证据。“在此之前，生物学上还没有发现过使用arrestin来辨别细胞外部信号的案例。。。我们的工作为线虫惊人的嗅觉如何工作提供了一个解释，但它也让我们了解了GPCR信号如何在动物中更广泛地工作。”

他补充说，当多个GPCRs在同一个细胞上表达时，同样的机制也可能在其他动物身上发挥作用，尤其是在大脑中。我们的大脑沐浴在通过数百种不同的GPCRs发出信号的神经化学物质中，这提示人类的四种类型的arrestin可能是信息处理的关键。

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