蚊子，暴露的腳踝和肘部的死敵，使用精細(xì)調(diào)整的嗅覺定位每個血腥的膳食。然而，并非所有的昆蟲都可以嗅出脆弱的肉體。例如，蝴蝶不是在脖子上喂食，而是在花蜜上喂食，因此擅長聞花香。事實(shí)上，每個昆蟲嗅覺系統(tǒng)都是根據(jù)物種的特殊棲息地和需求量身定制的。洛克菲勒一組科學(xué)家的一項(xiàng)新研究表明，氣味離子通道的獨(dú)特結(jié)構(gòu)促進(jìn)了這種多功能性。

Vanessa Ruta及其同事在最近發(fā)表在“自然”雜志上的一篇論文中描述了一種這樣的離子通道的結(jié)構(gòu)，并提出了解釋各種通道如何進(jìn)化以適應(yīng)各種生態(tài)位的昆蟲生命。

近二十年前，Leslie Vosshall首先發(fā)現(xiàn)了昆蟲氣味受體，Leslie Vosshall現(xiàn)在是洛克菲勒的Robin Chemers Neustein教授。這些結(jié)構(gòu)特別針對昆蟲，與人類和其他動物的氣味受體完全不同。多年來，研究人員無法確定它們的外觀或工作方式。利用電子顯微鏡的最新進(jìn)展，Ruta的研究因此回答了有關(guān)昆蟲嗅覺和進(jìn)化的長期問題。

檢測多樣性

不同的昆蟲種類具有不同數(shù)量和類型的氣味受體，反映了對蜜蜂，白蟻，蟑螂及其無數(shù)昆蟲弟兄至關(guān)重要的氣味范圍。研究人員估計，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)以千萬計的受體變種，每種受體都經(jīng)過調(diào)整以檢測特定的化學(xué)物質(zhì)或氣味。盡管存在這種多樣性，但所有受體的功能都相同：它們形成離子通道 - 帶電粒子的通道 - 只有當(dāng)受體遇到其目標(biāo)氣味時才會打開。

“昆蟲氣味受體很可能是自然界中最大的離子通道家族，它們非常多樣化，”Ruta，Gabrielle H. Reem和Herbert J. Kayden副教授說。“所以我們面臨著一個根本的謎團(tuán)：你如何獲得數(shù)百萬種不同的頻道變體，但是所有變體都做同樣的事情?”為了解昆蟲如何實(shí)現(xiàn)多樣性和一致性的微妙平衡，Ruta的團(tuán)隊(duì)將目光投向了一個名為Orco的通道亞單位。

嗅覺離子通道由一種Orco蛋白質(zhì)和氣味受體蛋白質(zhì)的組合制成，這些蛋白質(zhì)因物種而異。由于Orco在昆蟲世界中如此一致，Ruta的團(tuán)隊(duì)?wèi)岩桑ㄟ^研究這個亞基，他們可以更好地理解這些通道是如何工作的。

使用低溫電子顯微鏡 - 一種通過在冷凍標(biāo)本上發(fā)射電子來分析蛋白質(zhì)特征的方法 - 研究人員定義了完全由Orco蛋白質(zhì)制成的通道結(jié)構(gòu)(稱為Orco同系物)。他們發(fā)現(xiàn)這個通道由一個中心孔組成，即離子流過的區(qū)域，被四個亞基包圍。他們還觀察到亞基在單個點(diǎn)處結(jié)合在一起，Ruta稱之為錨定域。

“它幾乎就像是一朵花束，每朵花都放在中心，莖稈朝不同的方向展開，”她說。

不僅僅是漂亮，這種微觀的花束提供了關(guān)于受體多樣性如何演變的線索。以前，尚不清楚單個復(fù)合物如何物理地容納自然界中發(fā)現(xiàn)的各種氣味受體- 由不同氨基酸序列組成的蛋白質(zhì)“莖”如何與Orco相連并且彼此和諧地相互作用。然而，一旦Ruta觀察到Orco同系物的結(jié)構(gòu)，她說，這一切都是有道理的。

“如果蛋白質(zhì)緊密堆積在一起，它們必須在化學(xué)上相互補(bǔ)充;但這些亞基非常松散地堆積在一起 - 它們幾乎沒有接觸，”她說。“通過在錨定域中集中相互作用，蛋白質(zhì)的其余部分可以非常迅速地多樣化和進(jìn)化。”

把它放在一起

在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員分析了四種非常不同的昆蟲物種的氣味受體。他們發(fā)現(xiàn)，盡管這些蛋白質(zhì)差異很大，但它們在孔和錨定域中具有共同的特征，這表明這些受體組分在物種間是保守的。此外，研究人員懷疑Orco是故障安全的，確保如果這些區(qū)域發(fā)生變異，通道仍然可以完成其工作。

“Orco扮演兩個角色：它將所有東西放在一起;它也有助于正確地發(fā)揮作用，”該研究的第一作者，研究助理Joel Butterwick說。“參與結(jié)合不同氣味的區(qū)域可以自由發(fā)展，因?yàn)槟阌幸粋€穩(wěn)定的組件可以將所有東西組合在一起。”

除了提供對昆蟲的洞察之外，這一系列研究可能最終導(dǎo)致人類可以直接受益的創(chuàng)新。蚊子叮咬至少引起發(fā)癢，刺激性的腫塊;但在世界許多地方，他們也可以傳播嚴(yán)重的疾病，包括瘧疾，寨卡病毒和登革熱。防止這些疾病的一種方法是干擾昆蟲聞到人類宿主的能力。

Ruta說：“我們希望利用我們的結(jié)構(gòu)性見解，最終開發(fā)更好的驅(qū)蟲劑，并幫助減輕與瘧疾和其他由蚊子傳播的疾病相關(guān)的人類健康負(fù)擔(dān)。”