王春亮+吳衍+熊前+余盼+李強(qiáng)+潘彩霞+楊前勇
摘要:從犬的嗅覺(jué)系統(tǒng)形態(tài)學(xué)特征、嗅覺(jué)傳導(dǎo)通路、犬嗅覺(jué)系統(tǒng)受體等相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述,并對(duì)犬嗅覺(jué)系統(tǒng)的科學(xué)利用和未來(lái)的研究方向進(jìn)行了探討和展望。
關(guān)鍵詞:犬;嗅覺(jué)系統(tǒng);解剖結(jié)構(gòu);傳導(dǎo)通路;受體;基因
中圖分類號(hào):S829.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-273X(2016)12-0005-04
嗅覺(jué)是犬賴以生存的特殊感覺(jué),嗅覺(jué)系統(tǒng)的研究已成為當(dāng)今動(dòng)物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然進(jìn)化,犬嗅覺(jué)系統(tǒng)為性能最為卓越的化學(xué)傳感系統(tǒng),能夠從復(fù)雜的環(huán)境中分辨和識(shí)別成百上千種只有痕量水平的各種氣體分子。近年來(lái),前人對(duì)犬嗅覺(jué)系統(tǒng)及其受體等進(jìn)行了一系列研究,并取得了很大進(jìn)展,對(duì)于犬嗅覺(jué)系統(tǒng)受體、基因及功能基因組學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域仍需要深入研究,進(jìn)一步揭示犬的嗅覺(jué)機(jī)制,為加快培育高嗅覺(jué)靈敏性犬育種工作提供理論指導(dǎo),同時(shí),也可為以嗅覺(jué)研究為基礎(chǔ)的其他交叉學(xué)科帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。
1 犬嗅覺(jué)系統(tǒng)形態(tài)學(xué)特征
1.1 犬嗅覺(jué)系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)及特征
犬嗅覺(jué)器官的解剖結(jié)構(gòu)主要包括鼻腔、犁鼻器、鼻甲骨、鼻竇、篩骨、嗅黏膜和嗅球。犬鼻較長(zhǎng),鼻腔較寬大,每次吸入空氣的量很大,鼻道內(nèi)沒(méi)有鼻毛,襯有黏膜,犬鼻的長(zhǎng)度暗示著敏感性的成倍增強(qiáng),進(jìn)化上犬鼻呈加長(zhǎng)趨勢(shì)。梨鼻器是位于鼻底和梨骨兩側(cè)組織中的特殊嗅覺(jué)器官,是一種感覺(jué)外激素的化學(xué)感受器,呈成對(duì)的小盲管狀,常為小泡狀器官。犁鼻器的外側(cè)部覆有柱狀纖毛上皮,上皮下含有較大的腺體和一膨脹體,內(nèi)側(cè)為較厚的嗅上皮,其中有雙極嗅細(xì)胞及支持細(xì)胞。犁鼻器在位置、神經(jīng)分布、傳入途徑和功能方面,與鼻腔嗅區(qū)是不相同的。犬有3個(gè)鼻甲骨復(fù)雜卷曲,包括上鼻甲、中鼻甲和下鼻甲,起著調(diào)節(jié)吸入空氣溫度和濕度的作用。腦部橫斷面的研究表明,后半個(gè)鼻腔幾乎充滿了篩鼻甲骨,在篩鼻甲骨的黏膜層中擁有大量的嗅覺(jué)受體,篩鼻甲能夠使犬吸入更大體積的氣體,并控制著此處鼻竇的開(kāi)合,并且由此進(jìn)入鼻竇。鼻竇位于頭骨中,與鼻腔相通,其中內(nèi)襯著可能具有嗅覺(jué)功能的黏液樣細(xì)胞,使吸入的空氣有足夠回旋的空間進(jìn)行加溫和濕潤(rùn)。犬的篩骨與顱骨結(jié)合,因結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜又被稱為篩骨迷路,其上皮是嗅黏膜的密集地,也是嗅覺(jué)功能的發(fā)生地,犬的篩骨有篩板和篩孔,嗅神經(jīng)纖維經(jīng)篩孔從顱骨穿出。鼻黏膜也被稱作嗅黏膜,被覆于整個(gè)鼻腔的內(nèi)部,由嗅上皮和固有層組成,嗅黏膜含有嗅細(xì)胞、支持細(xì)胞和基細(xì)胞3種細(xì)胞。犬嗅球呈卵圓形,位于篩骨的后方,腦的最前部。嗅球的結(jié)構(gòu)層次清晰,有利于信號(hào)的整合和傳導(dǎo),為嗅覺(jué)信號(hào)傳導(dǎo)的中繼站,屬于嗅覺(jué)系統(tǒng)的初級(jí)中樞[1,2]。
1.2 犬嗅覺(jué)系統(tǒng)分類
犬的嗅覺(jué)系統(tǒng)一般分為兩個(gè)系統(tǒng),主嗅覺(jué)系統(tǒng)(MOS)由鼻腔中的嗅球和嗅覺(jué)上皮組成,犁鼻系統(tǒng)(VNS)由梨鼻器器官組成。盡管兩種嗅覺(jué)系統(tǒng)來(lái)自異源的進(jìn)化途徑,但兩者在生物功能上密切相關(guān),有相似的分子、細(xì)胞過(guò)程及類似的適應(yīng)生態(tài)變化情況。MOS主要是識(shí)別環(huán)境中的化學(xué)氣味。而犁鼻器系統(tǒng)(VNS)對(duì)小范圍內(nèi)特異性的化學(xué)感應(yīng)信號(hào)-信息素的識(shí)別更加靈敏,被認(rèn)為是主嗅覺(jué)系統(tǒng)的輔助結(jié)構(gòu)。
2 嗅覺(jué)傳導(dǎo)通路
嗅覺(jué)起始于嗅神經(jīng)元纖毛上的嗅覺(jué)受體與氣味分子(Odorant,嗅質(zhì))的相互作用。在氣味感受過(guò)程中,疏水性的嗅質(zhì)首先與嗅質(zhì)結(jié)合蛋白(Odorant bidningporetin,OBP)結(jié)合,之后嗅質(zhì)與嗅質(zhì)受體(Odorant receptor,ODR)作用,嗅質(zhì)受體是一種G蛋白偶聯(lián)受體(Gprotein-coupled receptors,GPCRs),它能轉(zhuǎn)導(dǎo)嗅覺(jué)信號(hào),在細(xì)胞膜外側(cè),嗅質(zhì)與ODR結(jié)合后,內(nèi)側(cè)活化的G 蛋白隨后激活腺苷酸環(huán)化酶,使細(xì)胞內(nèi)大量的ATP轉(zhuǎn)化成cAMP,cAMP是細(xì)胞內(nèi)第二信使,打開(kāi)離子通道,Na+和Ca2+內(nèi)流使嗅神經(jīng)元細(xì)胞膜去極化,最終產(chǎn)生動(dòng)作電位。嗅神經(jīng)元通過(guò)軸突把動(dòng)作電位傳導(dǎo)到大腦前端的嗅球,嗅覺(jué)信號(hào)在嗅球中經(jīng)過(guò)加工、修飾和編碼后,通過(guò)嗅球的輸出神經(jīng)元僧帽細(xì)胞和叢狀細(xì)胞的軸突投射傳導(dǎo)到大腦皮層,在那里嗅覺(jué)信號(hào)被解碼以分辨不同的氣味,形成對(duì)氣味的感受[3]。
3 犬嗅覺(jué)系統(tǒng)受體
3.1 犬嗅覺(jué)系統(tǒng)受體分類及結(jié)構(gòu)特征
自Buck等[4]發(fā)現(xiàn)嗅覺(jué)受體基因超家族,迄今為止,研究人員已發(fā)現(xiàn)5種與動(dòng)物嗅覺(jué)相關(guān)的受體,包括嗅覺(jué)受體(Odorant receptors,ORs)、犁鼻器受體(Vomeronasal receptors,VRs)、痕量胺相關(guān)受體(Trace amine-associated receptors,TAARs)、甲酰肽受體(formyl peptide receptors,F(xiàn)PRs)、鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶(Guanylylcyclase,GC-D)[2,5]。目前研究發(fā)現(xiàn)除鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶與犬嗅覺(jué)系統(tǒng)相關(guān)尚未見(jiàn)報(bào)道外,其他的4種受體都與犬嗅覺(jué)系統(tǒng)相關(guān)。這4種受體都屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族,各種受體蛋白質(zhì)分子的氨基酸大小不一,但都具有7個(gè)長(zhǎng)度為19~26個(gè)氨基酸疏水區(qū)即7次α-螺旋跨膜蛋白(TM)形成的結(jié)構(gòu)域,總長(zhǎng)度約為300~350個(gè)氨基酸。氨基酸鏈的N端在膜外側(cè),C端在膜內(nèi)側(cè)。這樣就在細(xì)胞膜兩側(cè)各形成3個(gè)環(huán),即3個(gè)胞內(nèi)環(huán)(IC)和3個(gè)胞外環(huán)(EC)。不同的GPCR跨膜螺旋區(qū)的氨基酸比較保守,而C、N末端和回環(huán)區(qū)的氨基酸差異較大[6]。
3.2 犬嗅覺(jué)系統(tǒng)受體組成、表達(dá)及功能
3.2.1 OR受體的組成、表達(dá)及功能 OR基因家族是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的嗅覺(jué)受體基因家族,Quignon等[7]研究表明,犬的OR基因根據(jù)序列同源性被分為class-I和class-II兩類。class-I基因是最古老的嗅覺(jué)受體基因群,其可在水生環(huán)境下被水溶性氣味分子所激發(fā),包括5個(gè)家族。class-II基因通常是在陸地環(huán)境下被揮發(fā)性的氣味分子所激發(fā),分為18個(gè)家族。犬基因組中有971個(gè)嗅覺(jué)受體基因,約占犬嗅覺(jué)受體基因組的80%。OR基因在進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的假基因化,即基因中含有一個(gè)或多個(gè)破壞框架(包括移碼,片段終止密碼,或片段破壞散布重復(fù)等)。OR基因較小,基因的長(zhǎng)度約1 kb左右,其顯著特點(diǎn)是編碼區(qū)沒(méi)有內(nèi)含子,僅在編碼區(qū)和5'非翻譯區(qū)之間存在一個(gè)內(nèi)含子。研究發(fā)現(xiàn),有34個(gè)OR基因亞家族只在家犬中被發(fā)現(xiàn)[8],這些特有的亞家族可能與家犬靈敏的嗅覺(jué)有關(guān)。
Tacher等[9]2005年首次進(jìn)行了OR基因的多態(tài)性研究,接著Robin等[10]對(duì)OR進(jìn)行了更廣泛的OR基因多態(tài)性研究,研究結(jié)果表明,幾乎所有的OR基因都在不同程度上具有多態(tài)性,有的SNP位點(diǎn)導(dǎo)致了氨基酸突變且具有品種特異性,甚至與犬的嗅認(rèn)能力密切相關(guān)[11]。
OR蛋白質(zhì)變異在氣味感知的敏感性和特異性方面發(fā)揮作用,犬OR基因存在多態(tài)性和一些品種特異性變異[8]。因此,推測(cè)這些品種特異性變異可能與品種嗅覺(jué)的差異有關(guān)。然而,迄今為止,由于多數(shù)犬的OR配體仍未知,導(dǎo)致OR基因多樣性與氣味感知變異之間的相關(guān)性聯(lián)系還沒(méi)有建立。犬有971個(gè)嗅覺(jué)受體基因,但它能識(shí)別的氣味卻超過(guò)了10 000種,表明一個(gè)OR可以與多個(gè)氣味分子結(jié)合,不同的OR組合也能與多種氣味分子結(jié)合。這種交叉組合的方式大大增加了OR結(jié)合氣味分子的種類,使OR最大程度的發(fā)揮作用。由于OR研究方法及高通量檢測(cè)的局限性,很難完成單個(gè)OR基因表達(dá)的精準(zhǔn)定位,確定與某一氣味分子綁定蛋白復(fù)合物相對(duì)應(yīng)的OR蛋白則更加困難。雖然,前人已對(duì)嗅覺(jué)受體基因進(jìn)行了大量的研究,但由于嗅覺(jué)基因家族的多樣性以及嗅覺(jué)系統(tǒng)的復(fù)雜性,對(duì)于嗅覺(jué)受體基因的研究還不夠全面和成熟,尚需進(jìn)一步深入研究。
3.2.2 VR受體的組成、表達(dá)及功能 犁鼻器受體又稱信息素受體,包括V1R、V2R兩個(gè)基因家族。V1R、V2R基因分別發(fā)現(xiàn)于1995年[12]和1997年[13],他們表達(dá)在哺乳動(dòng)物梨鼻器上并參與信息素的檢測(cè)。研究表明,V1R檢測(cè)揮發(fā)性氣味,V2R檢測(cè)非揮發(fā)性蛋白質(zhì)配體,但配體激活這兩種受體的性質(zhì)尚未完全研究清楚。
V1R基因的編碼區(qū)沒(méi)有內(nèi)含子,全長(zhǎng)約1 000 bp,可編碼300個(gè)氨基酸左右的7次跨膜受體;V2R基因編碼區(qū)含有多個(gè)外顯子,蛋白產(chǎn)物同樣是7次跨膜的G蛋白偶聯(lián)受體,長(zhǎng)度約為850個(gè)氨基酸,其中約有300個(gè)氨基酸的跨膜區(qū)域,V2R基因家族大約有200個(gè)成員。犬的基因組中只有9個(gè)具有完整編碼框的V1R潛在功能基因[14,15],假基因的數(shù)目也僅僅是60個(gè),這與犬的犁鼻器器官相對(duì)較薄、副嗅球也相對(duì)較小相對(duì)應(yīng)。犬的基因組中,僅發(fā)現(xiàn)了9~20個(gè)V2R假基因,犬擁有幾十個(gè)完整的V2R基因,但是它們?cè)隗w內(nèi)完全退化。犬通過(guò)V1R基因識(shí)別外激素的能力可能被發(fā)達(dá)的主嗅系統(tǒng)所取代,因而發(fā)生退化。犬犁鼻器的退化令人驚訝。犁鼻器受體一旦被轉(zhuǎn)換,運(yùn)輸,加工,會(huì)導(dǎo)致兩性嚙齒動(dòng)物行為的變化,包括雄性間相互攻擊,性行為和長(zhǎng)時(shí)間神經(jīng)內(nèi)分泌改變[16]。
目前,人們很難解釋犬依賴信息素傳遞信息的某些行為,如發(fā)情期母犬如何吸引公犬前來(lái)交配、公犬何以借助尿液劃屬領(lǐng)地等[11]。VR基因在犁鼻器的各層神經(jīng)元細(xì)胞中以區(qū)域特異性的方式表達(dá)。信息素是由一個(gè)個(gè)體分泌并被同種另一個(gè)體感受并識(shí)別的化學(xué)物質(zhì),隨之引發(fā)群體內(nèi)與個(gè)體交流和生殖相關(guān)的一系列生理和行為變化[10]。另外,與該途徑相關(guān)的分子包括非典型的組織相容性復(fù)合體(MHCⅠb)分子、β2-球蛋白(β2m)、三磷酸肌醇(IP3)和瞬時(shí)受體電位(TRP)家族成員TRPC2等。其中,只有離子通道TRPC2與信息素受體V1R和V2R一樣,不參與其他生理學(xué)過(guò)程,僅在信息素傳導(dǎo)方面發(fā)揮特異性作用[17]。近年來(lái),雖然對(duì)于哺乳動(dòng)物信息素受體的研究及認(rèn)識(shí)有了長(zhǎng)足進(jìn)步,但犁鼻系統(tǒng)在哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)功能中所扮演的角色[18]及哺乳動(dòng)物信息素感知的分子機(jī)制尚不完全清楚,仍需進(jìn)一步研究。
3.2.3 TAAR受體的組成、表達(dá)及功能 痕量胺相關(guān)受體是由TAAR基因編碼的蛋白,是至關(guān)重要的細(xì)胞間信號(hào)分子[19]。系統(tǒng)發(fā)育史研究表明,哺乳動(dòng)物的祖先擁有9個(gè)TAAR基因即TAAR1-9。但在犬體內(nèi)某些TAAR基因退化為假基因,犬的基因組中有兩個(gè)功能基因TAAR4和TAAR5,兩個(gè)假基因TAAR1P和TAAR2P,而犬全基因組中卻有大量OR基因,其中822個(gè)基因功能,而假基因只有25.3%的比例,原因可能是TAARs與ORs的功能存在重疊,犬可能更趨向于依賴數(shù)量較大的ORs,導(dǎo)致TAARs 減少退化。
犬的TAARs表達(dá)在散落在嗅覺(jué)上皮細(xì)胞中的嗅覺(jué)神經(jīng)元的一個(gè)子集中,另有研究表明,其也表達(dá)在格呂內(nèi)貝格神經(jīng)節(jié)上[20],犬的TAAR家族基因保守性和退化成假基因并存的特點(diǎn)與嗅覺(jué)受體基因極為相似。目前,哺乳動(dòng)物TAAR1基因是研究最為廣泛的痕量胺相關(guān)受體。由于犬TAAR1基因退化成假基因,致使與TAAR1功能相關(guān)的犬行為特點(diǎn),如易接受訓(xùn)練、能夠解讀獎(jiǎng)懲等研究變得越發(fā)有趣[11]。目前,人們只能推測(cè)犬具備另外兩個(gè)潛在的功能性TAAR基因來(lái)補(bǔ)償缺失的TAAR1功能。
3.2.4 FPR受體的組成、表達(dá)及功能 甲酰肽受體是哺乳動(dòng)物獨(dú)有的一種氣味受體。Migeotte等[21]2006年首次報(bào)道甲酰肽受體表達(dá)在免疫系統(tǒng)。參與炎癥和免疫應(yīng)急反應(yīng)的甲酰肽受體也能在犁鼻器中表達(dá),參與犁鼻器信號(hào)傳導(dǎo)。FPR受體家族共有7個(gè)成員,其中5個(gè)表達(dá)在犁鼻器神經(jīng)元,另外2個(gè)表達(dá)在免疫系統(tǒng)[22],犬基因組包含1~2個(gè)FPR基因。因?yàn)?,甲酰肽受體主要在吞噬細(xì)胞表面表達(dá),并能夠與細(xì)菌性趨化肽相互作用,因而也將它們稱為化學(xué)趨化物受體。甲酰肽受體可能在犬防御微生物感染中起著非常重要的作用。在進(jìn)化過(guò)程中,甲酰肽受體轉(zhuǎn)錄有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。犁鼻器FPR基因表達(dá)譜非常類似于V1R和V2R的基因表達(dá)譜,即有選擇地表達(dá)在一個(gè)犁鼻器神經(jīng)元小子集上。
目前,人們?cè)谑篌w內(nèi)發(fā)現(xiàn)了犁鼻器特異性甲酰肽受體,但在犬體內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)[23]。FPR受體識(shí)別特定感覺(jué)配體,而這些配體不被V1R和V2R識(shí)別。另外,F(xiàn)PR受體與V1R或V2R共同識(shí)別特定的配體但他們各自生成專門的傳輸信號(hào),傳輸?shù)讲煌拇竽X區(qū)域[8]。在未來(lái),隨著基因組測(cè)序覆蓋率的增加和越來(lái)越多的基因組被測(cè)序,以及直接進(jìn)行基因組功能分析的實(shí)現(xiàn),為更進(jìn)一步的探究FPR家族的進(jìn)化及其功能提供更高效的研究工具。
4 展望
嗅覺(jué)對(duì)犬是一種極其重要的生理感覺(jué),近年來(lái),前人對(duì)犬嗅覺(jué)系統(tǒng)受體基因和蛋白的結(jié)構(gòu)、組成、表達(dá)部位及嗅覺(jué)傳導(dǎo)機(jī)理等進(jìn)行了一系列研究,并取得了很大進(jìn)展,尤其是各嗅覺(jué)相關(guān)受體基因家族的發(fā)現(xiàn)和研究推動(dòng)了國(guó)際上嗅覺(jué)研究的快速發(fā)展。但對(duì)嗅覺(jué)的發(fā)生機(jī)制尚不清楚,隨著嗅覺(jué)系統(tǒng)受體基因、蛋白質(zhì)及新的化學(xué)氣味感受受體的相繼發(fā)現(xiàn)與深入研究,人們對(duì)犬嗅覺(jué)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與利用將上升到一個(gè)新高度。嗅探犬作為操作工具,已被用于軍用和民用等社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域檢測(cè)不同的氣味。犬不同的嗅覺(jué)系統(tǒng)存在和表達(dá)不同的氣味受體,研究不同用途犬的嗅覺(jué)系統(tǒng)受體基因及其多態(tài)性,逐一探索化學(xué)氣味感受受體的功能及調(diào)控,從而尋找嗅覺(jué)系統(tǒng)受體基因的多態(tài)性與氣味識(shí)別之間的聯(lián)系,將嗅覺(jué)系統(tǒng)受體特異基因結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)聯(lián),有助于開(kāi)展犬嗅覺(jué)系統(tǒng)功能的研究,以便更深入了解犬嗅覺(jué)靈敏的原因,為犬嗅覺(jué)的科學(xué)利用提供理論依據(jù)。而基因組測(cè)序?qū)樾嵊X(jué)基因多態(tài)性的研究,提供更精確和快速的工具。因此,尋找和篩選犬完成各種氣味識(shí)別的主要候選基因,以及其下游通路和激活途徑,可以為相關(guān)嗅覺(jué)功能性障礙等疾病的防治尋找潛在的靶點(diǎn),并且對(duì)加快培育高嗅覺(jué)靈敏性的工作犬育種工作具有重要意義。另外,隨著近年來(lái)現(xiàn)代仿生科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,研制與使用嗅覺(jué)仿生生物設(shè)備,可為以嗅覺(jué)研究為基礎(chǔ)的其他交叉學(xué)科帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī),并將成為未來(lái)生物科學(xué)的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
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