昆虫气味受体及其介导的嗅觉信号转导途径.doc

昆虫气味受体及其介导的嗅觉信号转导途径

--阅读学习笔记

昆虫传播疟疾、登革热、丝虫病、流行性乙型脑炎、鼠疫和森林脑炎等多种虫媒病， 严重影响人类的健康和生活。控制虫媒病的重要手段是对媒介昆虫进行防制。传统的防制手段主要是采用化学杀虫剂来杀灭昆虫， 不但效果不佳， 而且导致昆虫耐药性增强、环境受到污染和生态平衡被破坏等问题。
减少媒介昆虫的叮咬是控制虫媒病的重要手段。然而， 传统防制手段的弊端已逐渐暴露， 因此， 研制新型防制方法迫在眉睫。昆虫寻找宿主和吸血等行为在很大程度上是由其嗅觉系统控制的， 因此， 通过干扰昆虫嗅觉系统进行防制成为新的虫媒病控制手段。在昆虫通过嗅觉系统感受环境中众多气味分子的过程中， 昆虫气味受体的作用尤为重要。
昆虫驱避剂是植物源或人工合成的具有驱避昆虫作用的活性化学物质， 具有毒性低、见效快和无污染等优点， 逐渐受到青睐。昆虫驱避剂主要通过干扰昆虫嗅觉系统以达到驱赶昆虫、防止昆虫叮咬吸血和阻断疾病传播的目的。因此， 昆虫嗅觉系统的研究是研
制新型昆虫驱避剂的前提和基础。在昆虫整个嗅觉反应过程中， 昆虫气味受体（odorant receptors， ORs）起着识别气味分子， 并向下游传递嗅觉信号的重要作用。本文对昆虫气味受体及其介导的嗅觉信号转导等方面的研究进展进行综述。

1 昆虫气味受体
1.1 昆虫气味受体的类型及其结构
环境中各种气味分子通过昆虫嗅觉器官———触角和下颌须表面所被覆的感觉毛表皮上的小孔隙进入感觉毛腔， 进而在气味结合蛋白（odorant-binding proteins， OBPs）的帮助下与昆虫嗅觉感觉神经元（olfactory sensory neurons， OSNs） 树突膜表面上的气味受体结合， 启动嗅觉信号转导过程。
目前的研究表明， 昆虫气味受体主要有7 次跨膜受体和谷氨酸受体两种类型。
1.1.1 7次跨膜受体
昆虫气味受体虽然具有典型的7 次跨膜结构， 但它所呈现的膜拓扑学结构与哺乳动物气味受体截然相反， 即昆虫气味受体蛋白的N 末端在胞内， C 末端在胞外。抗体标记实验表
明， 果蝇中至少有两种气味受体的膜结合结构不同于典型的G 蛋白偶联受体， 即其N 末端位于细胞膜内，C 末端在细胞膜外。昆虫气味受体通过形成受体复合物的方式来完成其感受气味分子的功能。不同类型的气味受体所感受的气味分子有很大不同。即使是同一类型的气味受体所感受的气味分子也存在很大的差异， 不同的气味受体感受气味分子具有一定的特异性。
1.1.2 谷氨酸受体
含有一个配体结合结构域和一个离子通道结构域以及在胞外的N 末端和在胞内的C 末端。配体结构域由两个膜外段S1 和S2 组成， 而离子通道结离子通道构域则由3 个跨膜段（M1、M2 和M3）和loop P 组成。
2 昆虫气味受体介导的嗅觉信号转导
昆虫气味受体与气味分子结合后如何将嗅觉信号传至高级中枢？昆虫气味受体所介导的嗅觉信号转导主要存在离子通道假说和离子通道-G 蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，
GPCR）假说。
2.1 离子通道假说
既然昆虫气味受体和哺乳动物典型的G 蛋白偶联受体（GPCRs）不同， 那么昆虫气味受体如何传递嗅觉信号？ 昆虫气味受体跨膜结构和哺乳动物的不同， 可能导致G 蛋白和气味受体偶联的方式与哺乳动物亦不同， 激活的仍可能是与哺乳动物相似的GPCRs 通路； 但也可能
昆虫气味受体不与G 蛋白相偶联， 直接激活一个与GPCRs 通路完全不同的信号通路。
研究表明蛾的嗅觉信号转导机制中存在一种与GPCRs 通路不同的信号通路。近来， 对昆虫气味受体更为深入的电生理分析提示， 昆虫气味受体可能是配体门控性非选择性阳离子通道气味反应的启动比由GPCRs 启动的快10倍。而且， 一般的G 蛋白抑制剂并未削弱昆虫气味受体诱发的气味反应， 但能削弱GPCRs 诱发的气味反应。所以昆虫气味受体诱发的气味反应不依赖于细胞内成分， 包括像cAMP 和cGMP 这样的第二信使。气味受体复合物不同的亚单位组成能改变所测量电流的离子选择性， 而离子选择性正是离子通道的一个重要性质。这意味着昆虫气味受体不可能和另一个离子通道联合起作用， 而是它们自身即可产生气味诱导的反应。此时昆虫气味受体作为离子通道型受体， 在与气味分子等配体结合后能直接开放离子通道产生动作电位， 形成一种快速的嗅觉反应。这一信号通路被称为昆虫嗅觉信号通路中的离子型机制
2.2离子通道-G蛋白偶联受体假说
昆虫气味受体不仅是配体门控性离子通道，而且是环核苷酸门控性阳离子通道。昆虫气味受体结合气味分子等配体后，活化Gs蛋白，激活腺苷酸环化酶产生第二信使cAMP， 然后由cAMP 来开放环核苷酸门控性阳离子通道Or83b 产生动作电位，形成一种慢速而持久的嗅觉反应。该信号通路需要产生cAMP 来触发反应， 因此被称为昆虫嗅觉信号通路中的代谢型机制
在昆虫驱避剂的研究方面， 已在全球得到广泛使用的避蚊胺（DEET）经过多年实践驱避效果最好， 但其作用机制至今仍有争议。Ditzen 等认为昆虫气味受体就是DEET 的分子靶标， 而Syed等则认为DEET 是通过抑制食物诱导蚊等医学昆虫的触角和下颌须产生电生理反应，并且使昆虫对于宿主的呼吸和汗液中的成分产生“恶心”的感觉，从而达到有效驱避的作用。对昆虫嗅觉分子机制的研究，特别是昆虫气味受体及其信号转导机制的研究，将有助于阐明昆虫的嗅觉系统如何影响昆虫的各种行为，并为设计新型昆虫驱避剂提供理论依据，从而促进媒介昆虫防制工作的发展。