为什么,蚊子永远能找到你?
图片来源:Pixabay
撰文 | 栗子
审校 | 二七
波士顿大学的生物学家梅格·杨格(Meg Younger),在实验室养了许多蚊子。
它们生活在一个大大的培养箱里,环境温度保持在25℃-28℃,温暖如春。整个空间就像一座“蚊子旅社”,被分隔成了许多房间:每间的面积约为1平方英尺(不到1000平方厘米),有100多只蚊子同住。
当杨格博士朝着其中一个房间吹口气,里面的住客就兴奋起来。原本在休息的蚊子开始狂野地飞舞,过程要持续几分钟。这样的景象在杨格博士眼中毫不陌生,毕竟人类呼出的二氧化碳和自带的体味,对蚊子来说本就意味着食物的所在。
蚊子依靠人类的血液生存和繁衍,循着嗅觉线索找到我们也是它们与生俱来的能力。科学家一直想方设法破坏这种能力,让蚊子不再被人类的气味吸引,但就算去掉一整个基因家族编码的嗅觉受体,它们仍然能凭借某些线索找到人类。
如今,杨格博士和小伙伴们终于发现,蚊子的嗅觉系统和从前想象的不一样。它们在历史长河中,演化出了一套精密的“防故障系统”,切断一条路还有别的路。想要阻止蚊子找到我们,一点也不容易。
它没遵守一对一的“规矩”
蚊子的嗅觉神经元(olfaCTOry sensory neuron)大多在触角上,也有一部分在下颚须(maxillary palp)。
这些神经元中会有各种各样的受体,用来探测外界的化学线索。而那些受体又可分为三大类:气味受体(odorant receptor,OR)、离子型受体/离子通道型受体(ionotropic receptors,IR)以及味觉受体(gustatory receptor,GR)。虽然,GR主要负责味觉感知,但二氧化碳这个对蚊子而言十分关键的寻人线索,也要靠GR来检测。
当特定的气味袭来时,相应的神经元会变得兴奋,并把消息传递至嗅小球(olfaCTory glomeruli)。科学家曾经在脊椎动物当中发现,嗅觉系统十分“专业化”。通常,每个嗅觉神经元只表达一种受体,只与一组化学物质结合,检测一种特定的气味。而表达相同受体的那些神经元,又会把信号传递给同一个嗅小球——这样一来,一种动物感知化学线索的受体有多少种,体内嗅小球的数量大致也会有多少个。
传统的嗅觉系统中,一个嗅觉神经元(如图中灰色圆形)通常表达一种受体(如图中红色、蓝色或紫色方块),检测一种气味,并投射到相应的嗅小球(如图中红色、蓝色或紫色圆形)(图片来源:原论文)
后来又有研究者发现,不光是脊椎动物,许多昆虫同样满足这条规律。比如,西方蜜蜂(Apis mellifera)体内的气味受体(OR)和离子型受体(IR)加起来大约180种,嗅小球则有160个左右;在烟草天蛾(Manduca sexta)身上,这两大类受体共有60种左右,对应着约70个嗅小球;而黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)有约60种相关受体,对应约55个嗅小球。
那么,蚊子体内的嗅觉受体种类,也会和嗅小球的数量相近吗?杨格博士和小伙伴们发现,在埃及伊蚊(Aedes aegypti)的身体里,化学感受受体的种类,是嗅小球数量的两倍以上。数字明显不匹配,这让科学家感觉到蚊子的嗅觉系统与众不同,人类气味难以骗过蚊子的原因可能也藏在其中。
化学感受受体的种类,远多于嗅小球的个数,要么是一个嗅觉神经元表达了多种受体,要么是几组表达不同受体的神经元,都汇聚到了同一个嗅小球上。为了确认哪一种才是真实情况,研究者设计了下一步实验。
有人篡改代码也不怕
气味受体(OR)、离子型受体(IR)以及味觉受体(GR),这三类化学感受受体是由三个不同的基因家族编码而来。
首先,研究团队需要观察的是,表达这几类受体的神经元,分别投射到了哪些嗅小球上。科学家从OR、IR和GR基因家族中,找出一些编码受体的基因:Orco、Ir25a、Ir8a、Ir76b以及Gr3。
研究者利用基因编辑,给这些受体基因添加了“尾巴”,追踪神经元的去向。这尾巴是转录因子QF2对应的基因,替换了受体基因的终止密码子,于是细胞在制造那些嗅觉受体的同时,也会把转录因子QF2生产出来。而QF2这种蛋白质,能与DNA上一处名叫QUAS的增强子(也经过基因编辑)结合,引发附近一种荧光蛋白的表达,让人看清哪个神经元伸向了哪个嗅小球。
结果,科学家惊讶地发现,表达Ir25a基因的神经元投射到了蚊子触角叶中的几乎所有嗅小球,并且与表达Orco基因的神经元投射高度重合。另外,触角叶中最大的嗅小球——嗅小球1,既收到了表达Gr3基因的神经元投射,也被表达Ir25a基因的神经元所支配。就是说,表达气味受体(OR)、离子型受体(IR)和味觉受体(OR)的神经元投射之间有所重叠。
研究者十分好奇,这些重叠是怎么来的。Ir25a基因编码的离子型受体,与Orco基因编码的气味受体,究竟是在相同的神经元里表达了,还是两组表达不同受体的神经元汇集到相同的嗅小球了?
特别的嗅觉系统有两种可能性。1为一个神经元表达不止一种受体,2为表达不同受体的几组神经元投射到相同的嗅小球(图片来源:原论文)
想回答这个问题,依然要把QF2转录因子的基因插到受体基因末尾,来观察神经元中有没有Orco基因和Ir25a基因共表达的现象。这次,研究者把QF2转录因子分成两半,一半是DNA结合域,追踪Orco基因表达,另一半是激活域,追踪Ir25a表达,两部分都用亮氨酸拉链标记。假如这两个基因共表达,拉链拉好,QF2的两个部分组合成有功能的QF2分子,才能驱动荧光蛋白的表达。
用这种方式编辑了蚊子的基因后,科学家真的在它们的触角叶中看到荧光,那里有将近一半的嗅小球被dTomato荧光蛋白“染绿”了。这表明,Orco基因(属于OR受体基因家族)和Ir25a基因(属于IR基因家族)存在共表达,而且是广泛存在。我们认知当中“一个神经元表达一种受体”的传统嗅觉系统,大概不适用于蚊子。
QF2分子的其中一半存在时,无绿色荧光呈现;而Ir25a与Orco共同表达时,获得完整QF2,驱动荧光蛋白的表达,可以观察到绿色(图片来源:原论文)
不同类的嗅觉受体能在一个神经元里共表达,也就不难解释,为何去除一个基因家族编码的一大类嗅觉受体,仍然无法阻挡蚊子找到人类。嗅觉系统的“冗余”设定,可能给了它们应对危机的备用方案。
后来,研究团队又在蚊子嗅觉系统中,找到了更多类似的例子。除了触角之外,蚊子还有一种更小也更简单的嗅觉器官,就是下颚须。它可以检测一些重要的寻人线索,比如二氧化碳,以及存在于人类呼吸和汗液中的1-辛烯-3-醇(又叫蘑菇醇)等等。
科学家发现,蚊子下颚须中能够被1-辛烯-3-醇激活的神经元,也能被我们皮肤中释放的挥发性胺类物质激活。这意味着,即便经过基因编辑的蚊子失去了一种嗅觉受体,依靠这种受体工作的神经元也未必会因此丧失功能,它们还可以利用别的受体,检测到人类的气息。
杨格博士对蚊子特别的嗅觉系统感到惊奇,她和小伙伴们把研究成果发表在了《细胞》杂志。但即便如此,科学家们也没有放弃阻挡蚊子对人类的探测。杨格博士说,未来的驱蚊方式,必须考虑到人类对蚊子的吸引力坚不可摧。或许,这项研究可以为研究者提供新的依据,有助于设计出对蚊子更有诱惑力的混合气味陷阱。
这才叫鲁棒。
原论文:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00927-8
https://link.springer.com/article/10.1007/s11055-021-01159-2
https://www.npr.org/sections/goatsandsoda/2022/08/18/1118137632/mosquitoes-surprise-researcher-with-their-weird-sense-of-smell
https://www.eurekalert.org/news-releases/961464
https://www.eurekalert.org/news-releases/961580
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5270762/
来源:环球科学
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