新研究揭示了嗅觉感受器的工作机制

然而，跟化学世界的复杂性相比，这个充满活力的多彩世界就显得苍白了。化学世界有着数百万种气味，每一种气味都由数百个分子组成，所有的分子在形状、大小和性质上都有很大的不同。比如咖啡的气味是由200多种化学成分组合而成，每一种成分在结构上都不同并且没有一种化学成分本身闻起来像咖啡。

洛克菲勒神经科学家Vanessa Ruta说道：“嗅觉系统只能通过几百个甚至更少的气味受体来识别大量的分子。很明显，它必须进化出一种与其他感官系统不同的逻辑。”

在一项新研究中，Ruta和她的同事首次提供了嗅觉受体工作的分子视图从而为气味识别这个存在了几十年的问题提供了答案。

发表在《自然》上的这项研究表明，嗅觉受体确实遵循了神经系统中其他受体很少见到的逻辑。虽然大多数感受器被精确地塑造成只跟少数选定的分子配对，但大多数嗅觉感受器每个都跟大量不同的分子结合。它们跟各种各样的气味混杂在一起，这使得每个受体能对多种化学成分做出反应。从那里，大脑可以通过考虑受体组合的激活模式来识别气味。

整体识别

嗅觉感受器是30年前发现的。但科学家们还无法近距离观察它们并破译它们的结构和机制工作，部分原因是这些受体不适合使用常用的分子成像方法。更复杂的是，受体的偏好似乎没有规律或理由–单个气味受体可以对结构和化学上都不同的化合物作出反应。

“为了对气味识别有一个基本的了解，我们需要知道一个受体是如何识别多种不同的化学物质的，这是嗅觉系统如何工作的一个关键特征，一直是个谜，”Ruta实验室的博士后Josefina del Mármol说道。

因此，Ruta和del Mármol及实验室的研究助理Mackenzie Yedlin开始利用低温电子显微镜的最新进展来研究气味受体的结构。这项包括对冷冻标本发射电子的技术可以揭示三维极小的分子结构–甚至它们的单个原子。

研究小组将注意力转向了石蛃身上。石蛃是一种生活在地面的昆虫，其基因组最近已被测序，只有五种嗅觉受体。尽管石蛃的嗅觉系统非常简单，但它的受体属于一个受体大家族，据认为在数十万种不同的昆虫中存在着数千万种变异。尽管这些受体种类繁多，但它们的功能是相同的：它们形成了一个离子通道–一个带电粒子流动的孔–只有当受体遇到目标气味物时才会打开并最终激活启动嗅觉的感觉细胞。

研究人员选择了OR5，这是一种来自石蛃的受体，它具有广泛的识别能力且对研究人员测试的60%的小分子做出反应。

然后，他们单独检查了OR5的结构并跟一种化学物质–要么是丁香酚（一种常见的气味分子）要么是避蚊胺（一种驱虫剂）结合。“我们从比较这三种结构中学到了很多，”Ruta表示，“你可以看到的一件美丽的事情是，在未结合的结构中，孔隙是封闭的，但在跟丁香酚或DEET结合的结构中，孔隙扩张了并为离子流动提供了一条通道。”

有了这些结构，研究小组进一步观察了这两种化学上不同的分子在哪里以及如何跟受体结合。关于气味感受器跟分子的相互作用存在两种观点：一种是，受体已经进化到通过对分子的部分但决定性的特征做出反应，如分子的一部分形状来区分大片的分子；其他研究人员则提出，每个受体在其表面同时包裹多个口袋，它们允许其容纳下许多不同的分子。

但Ruta发现的情况不符合上述两种情况。结果表明，避蚊胺和丁香酚都在同一个位置结合，它们完全可以放在受体的一个简单口袋里。令人惊讶的是，口袋里的氨基酸并没有跟气味形成强而有选择性的化学键，而是弱化学键。在大多数其他系统中，受体和它们的目标分子是很好的化学配对，而在这里，它们看起来更像是友好的熟人。“这些非特定的化学反应让不同的气味被识别出来，”Ruta说道，“这样，受体就不会对特定的化学特征有选择性。相反，它是识别气味的更普遍的化学性质。”

正如计算模型所揭示的那样，同一个口袋可以以同样的方式容纳下许多其他气味分子。

不过Ruta指出，这种受体的混乱并不意味着它没有特异性。虽然每个受体对大量的分子都有反应，但对其他分子却不敏感。此外，结合位点上的氨基酸的一个简单突变将广泛地重新配置受体并改变其更喜欢与之结合的分子。后一项发现还有助于解释昆虫是如何进化出数百万种气味受体以适应它们所遇到的各种生活方式和栖息地。

Ruta表示，这些发现可能代表了许多嗅觉感受器。“它们指出了气味识别的关键原则，不仅在昆虫的感受器中也在我们鼻子中的感受器中，这些感受器也必须探测和区分丰富的化学世界。”