综述：昆虫嗅觉结合蛋白在昆虫纲中的研究综述

本综述系统总结了昆虫嗅觉结合蛋白（OBPs、CSPs、NPC2）的结构特征、作用机制与多样化功能。文章详细解析了pH依赖调控（pH-dependent regulation）和配体诱导构象变化（ligand-induced conformational changes）两种核心作用模型，并探讨了其在害虫生物防治、经济昆虫育种及生物传感器开发中的应用前景，为化学生态学研究提供了重要理论支撑。

　　

嗅觉结合蛋白：昆虫化学通讯的核心分子

昆虫作为地球上种类最多、分布最广的动物类群，其进化成功很大程度上归功于高度灵敏的嗅觉系统。在这一系统中，嗅觉结合蛋白（Olfactory Binding Proteins）扮演着关键角色，它们负责识别、结合并转运环境中的气味分子和信息素，是化学信号传导过程中的首要分子。

分子特征与结构多样性

昆虫嗅觉结合蛋白主要包括三类：气味结合蛋白（Odorant-Binding Proteins, OBPs）、化学感受蛋白（Chemosensory Proteins, CSPs）和尼曼匹克C2型蛋白（Niemann-Pick type C2 proteins, NPC2）。这些蛋白均为可溶性亲水蛋白，分子量约15 kDa，通常呈酸性。它们形成稳定的球形构象，由α螺旋和/或β片层构成，这种结构支持其环境适应性和多样化的生理功能。

OBPs是研究最深入的家族，其特征是含有丰富的α螺旋和保守的半胱氨酸残基。根据保守半胱氨酸的数量和排列方式，OBPs被分为经典OBPs（含6个保守半胱氨酸）、二聚体OBPs（含两个六半胱氨酸签名）、Plus-C OBPs（额外含2-3个保守半胱氨酸和1个高度保守脯氨酸）以及非典型OBPs（含9-10个保守半胱氨酸并有延长的C端区域）。

CSPs通常比OBPs更小，平均分子量为13 kDa，同样由α螺旋构成，大多数形成六个α螺旋。其特征是拥有四个保守半胱氨酸形成两个二硫键（C1-X_6-8-C2-X_16-21-C3-X₂-C4），这种结构稳定了三级结构并扩大了配体结合口袋。

NPC2蛋白则表现出完全不同的结构特征，主要采用β夹心结构，形成更大的内部结合空腔。与OBPs和CSPs不同，NPC2具有独特的N-糖基化修饰，这对维持其稳定性至关重要。

结构与功能的影响因素

多种因素影响嗅觉结合蛋白的结构与功能。环境pH值起着关键作用：意大利蜜蜂（A. mellifera ligustica）OBP1（AmelOBP1）在不同pH值（4.0、5.5和7.0）条件下表现出不同的结构和配体结合亲和力。在较低pH下，AmelOBP1采用增强其与女王信息素（E）-9-氧代-2-癸烯酸结合亲和力的构象。这种现象与家蚕（B. mori）信息素结合蛋白（BmorPBP）和冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）OBP1（AgamOBP1）的发现形成对比，后者在较高pH下表现出更强的配体结合亲和力。

配体结合本身也能诱导某些蛋白的结构变化。例如，AmelOBP14在与1-NPN、丁子香酚、柠檬烯和钽溴化物等配体相互作用时发生构象调整，使其能够适应各种配体分子。考虑到OBPs常以二聚体形式存在，一个配体与OBP的结合可能影响另一个配体的结合动力学。

特定位点的氨基酸突变也能显著影响嗅觉结合蛋白的结构和功能。这类突变可能改变蛋白质构象，影响其配体结合能力。关键位点特别是保守半胱氨酸残基和参与氢键形成的氨基酸的突变，可能破坏蛋白质-配体相互作用并损害嗅觉信号传导。

温度也影响嗅觉结合蛋白的配体结合亲和力。体外结合实验表明，意大利蜜蜂OBPs和CSPs对β-罗勒烯和别罗勒烯的结合亲和力具有温度依赖性。然而，尚不清楚是否在昆虫体内存在类似的温度效应，因为尚未有体内研究报告。

作用机制：从传统模型到新视角

关于昆虫嗅觉结合蛋白的作用机制，包括配体识别、结合、转运和释放，研究仍不完整且存在争议。传统机制认为外源性疏水性气味分子依赖嗅觉结合蛋白的识别和转运到达气味受体（ORs）。除了配体转运，嗅觉结合蛋白还可能负责直接调节OR的活性。

目前关于嗅觉结合蛋白结合或释放配体分子的机制主要有两种假说：pH依赖调控和配体诱导构象变化机制。其中，pH依赖调控是主流假说。如前所述，嗅觉结合蛋白在不同pH水平下表现出不同的配体结合亲和力，较低pH通常降低结合亲和力，这表明pH波动影响配体结合和释放。

另一种假说提出嗅觉结合蛋白通过配体诱导的构象变化发挥作用。嗅觉结合蛋白内部的疏水结合口袋决定其配体结合能力及其对气味分子和信息素的（或多或少）广泛特异性。配体结合反过来诱导蛋白质结构变化，促进更有效的配体识别、向受体递送以及由于结构灵活性而产生的可靶向受体激活。

尽管传统模型认为昆虫嗅觉结合蛋白识别并运输疏水性气味分子到嗅觉受体，但新证据对此提出挑战。在没有OBPs的情况下，ORs在异源系统中仍对配体作出反应，表明一些外源性配体分子可能无需OBP协助即可到达ORs。在果蝇中，敲除高丰度DmelOBP基因并未消除触角感器对外源性气味信号的反应。删除果蝇ab8感器中唯一高表达的Obp28a增强了对多种气味分子的电生理反应而非损害它们，表明它可能作为浓度缓冲剂而非必需的配体转运蛋白。

结构研究进一步支持这一假设，揭示昆虫嗅觉感器上分布有大量孔管（每个感器约83,000个），一些外源性分子可能通过这些孔管直接扩散到达ORs，无需嗅觉结合蛋白参与。

表达分布与功能多样性

早期对昆虫嗅觉结合蛋白的研究主要集中在其在嗅觉器官中的表达和分布，它们以高浓度存在于淋巴中。然而，大量证据显示OBPs在大多数昆虫器官中都有表达。

在果蝇中，OBPs广泛分布在各个阶段：某些OBPs在幼虫和成虫中均有表达，而其他一些则特定于幼虫。幼虫中表达的大多数OBPs在成虫组织中表现出相似的表达模式。此外，幼虫不同部位表达的OBPs功能各异：幼虫背器表达的OBPs对挥发性气味分子有亲和力，而末器表达的则对挥发性和可溶性化合物均有亲和力。

高通量测序和蛋白质组学的快速发展加速了昆虫嗅觉结合蛋白的研究，使得更全面深入的分析成为可能。实验和生物信息学相结合的研究，例如在意大利蜜蜂中鉴定出21种OBPs，其中13种在触角中表达（包括两种触角特异性）。其他OBPs还发现于脑、胸、卵巢和幼虫中。有趣的是，一些OBPs专门在非嗅觉器官中表达，表明它们具有特殊功能。

与OBPs相比，CSPs在昆虫中的分布更广。这部分是由于具有化学感应功能的感器广泛存在于身体各个部位，包括毛发、触角、附肢、口器和翅膀。此外，CSPs本身具有更大的功能多样性。在意大利蜜蜂中，全基因组分析鉴定出六种CSPs，其中CSP5和CSP6不在触角中表达。值得注意的是，CSP5特异性表达于女王身体、中肠和生殖器官（精子和卵巢）。

目前对昆虫NPC2的研究仍然有限。NPC2家族基因仅在6个目（直翅目、半翅目、鞘翅目、鳞翅目、膜翅目和双翅目）中被鉴定，涵盖16科19种，迄今报道了94个NPC2基因。相应地，关于它们在昆虫中时空表达的研究很少。基于有限的可用数据，NPC2基因在嗅觉和非嗅觉器官中均有表达，其功能因物种和表达的具体器官而异。

多样化生理功能

昆虫嗅觉结合蛋白相对简单却稳定的结构使其能够适应多样化环境并执行各种复杂功能，这些功能对昆虫的生理和行为至关重要。

外源性气味分子和信息素分子的检测与转运

嗅觉结合蛋白功能的发现最初是在昆虫嗅觉系统中，仅强调它们在气味分子和信息素分子的结合和转运中的作用。LUSH（DmelOBP76a）是果蝇中第一个功能表征的OBP，对信息素检测至关重要。在意大利蜜蜂中，AmelASP1是向OR11转运女王信息素HOB所必需的。

然而，嗅觉结合蛋白不仅负责分子转运，还负责识别不同的气味分子和信息素分子。在杨雪蛾（Clostera restitura）中，CresCSP1、CresCSP2和CresCSP4在2龄至4龄幼虫中高表达，表明它们参与检测宿主挥发物以定位食物。类似地，在菜粉蝶（Pieris rapae）中，PrapCSP16主要