分子的观点揭示了嗅觉受体是如何工作的

所有的感官都必须考虑到世界的丰富性,但没有匹配的嗅觉系统面临的挑战我们的嗅觉。我们只需要三个受体眼睛感觉所有颜色的彩虹,因为不同的色调成为光波,不同一个维度,它们的频率。充满活力的色彩斑斓的世界,然而,相比化学世界的复杂性,数以百万计的气味,每一个由数以百计的分子,都极大地不同形状、大小和性质。咖啡的气味,例如,来自超过200个化学成分的组合,每个结构的多样化,其中没有一个咖啡本身的味道。

“嗅觉系统识别大量分子只有几百气味受体或更少,”洛克菲勒神经科学家说凡妮莎太阳。“很明显,它已经进化出一种不同的逻辑比其他感官系统。”

在一项新的研究中,太阳和她的同事们几十年的问题提供答案的气味识别提供了第一个分子的观点一个嗅觉受体在工作。

研究结果,发表在自然显示,嗅觉受体确实遵循逻辑很少见到其他受体的神经系统。虽然大多数受体正是形状配对的锁钥的方式只有少数精英分子,大部分嗅觉受体每个绑定到大量不同的分子。滥交的配对与各种气味允许每个受体对许多化学成分。从那里,大脑可以算出气味通过考虑受体的激活模式的组合。

整体识别

嗅觉受体是30年前发现的。但科学家一直未能看到近距离和破译他们的结构和机械的运作,部分原因是这些受体没有借给自己常用的分子成像方法。更纠结的是,似乎没有条理的受体preferences-an个人气味受体可以应对化合物结构和化学性质是不同的。

有气味的识别”形成一个基本的了解,我们需要知道一个受体可以识别多个不同的化学物质,这是一个关键特性的嗅觉系统是如何工作的,一直是个谜,“Josefina del Marmol说太阳的实验室的博士后。

所以太阳和德尔Marmol, Mackenzie Yedlin一起在实验室里研究助理,着手解决一个气味受体的结构利用低温电子显微镜的最新进展。这种技术,其中包括传送电子冷冻标本,可以揭示极其微小的分子构造3 d,单个原子。

团队转向了跳蛀虫,最近的陆生昆虫基因组测序和只有五种嗅觉受体。尽管跳蛀虫的嗅觉系统很简单,其受体属于一个大家庭的受体与数以百万计的变异被认为存在于成千上万不同的昆虫。尽管他们的多样性,这些受体功能相同的方式:它们形成离子带电粒子通过该孔隙流打开只有当受体遇到目标有气味的东西,最终激活启动的嗅觉的感官细胞。

研究人员选择了OR5,跳蛀虫的受体与广泛的识别能力,应对60%的小分子他们测试。

然后检查OR5结构仅绑定到化学,丁香酚,一个共同的气味分子,或避蚊胺,杀虫剂。“我们学到了很多比较这三个结构,”太阳说。”你可以看到美丽的一件事是,在孔隙的结构是封闭的,但在结构的束缚与丁香酚或避蚊胺,毛孔扩张,为离子流动提供了一个途径。”

与结构,研究小组接近看到哪里和两种不同化学分子与受体结合。有两个关于气味受体的相互作用的分子。一是受体的分子进化来区分大面积应对部分但分子的一个定义特征,如形状的一部分。其他研究者提出,每个受体包多个口袋在其表面,使其适应不同的分子。

但是太阳发现符合这些场景。事实证明,避蚊胺和丁香酚结合在同一位置和完全扣合在一个简单的口袋内的受体。和令人惊讶的是,氨基酸衬口袋没有形成强,选择性化学键的气味,但只有弱的债券。而在其他系统中,受体和目标分子化学匹配很好,在这里,他们似乎更喜欢友好的熟人。“这些类型的非特异性识别允许不同气味的化学相互作用,”太阳说。“通过这种方式,受体不是选择一个特定的化学特性。相反,它是认识的更一般的化学性质有气味的东西,”太阳说。

计算模型显示,相同的口袋可以容纳许多其他气味分子在同样的方式。

但受体的滥交并不意味着它没有特异性,太阳之说。尽管每个受体对大量分子,它是对别人。此外,一个简单的结合位点的氨基酸的突变会广泛的重新配置受体,它更喜欢结合的分子变化。这一发现也有助于解释昆虫如何能够发展数以百万计的气味受体品种适合他们遇到的各种生活方式和栖息地。

研究结果很可能代表许多嗅觉受体,太阳之说。“他们指出关键原则有气味的识别,在受体不仅在昆虫的受体,还在我们自己的鼻子,还必须检测和区分富人化学世界。”

参考:

del Marmol J, Yedlin妈,太阳之诉有气味的识别在昆虫嗅觉受体的结构基础。自然。8月4日在线发表2021:1-6。doi:10.1038 / s41586 - 021 - 03794 - 8

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