离子通道的结构揭示了昆虫如何闻到世界各地

蚊子，暴露的脚踝和肘部的死敌，使用精细调整的嗅觉定位每个血腥的膳食。然而，并非所有的昆虫都可以嗅出脆弱的肉体。例如，蝴蝶不是在脖子上喂食，而是在花蜜上喂食，因此擅长闻花香。事实上，每个昆虫嗅觉系统都是根据物种的特殊栖息地和需求量身定制的。洛克菲勒一组科学家的一项新研究表明，气味离子通道的独特结构促进了这种多功能性。

Vanessa Ruta及其同事在最近发表在“自然”杂志上的一篇论文中描述了一种这样的离子通道的结构，并提出了解释各种通道如何进化以适应各种生态位的昆虫生命。

近二十年前，Leslie Vosshall首先发现了昆虫气味受体，Leslie Vosshall现在是洛克菲勒的Robin Chemers Neustein教授。这些结构特别针对昆虫，与人类和其他动物的气味受体完全不同。多年来，研究人员无法确定它们的外观或工作方式。利用电子显微镜的最新进展，Ruta的研究因此回答了有关昆虫嗅觉和进化的长期问题。

检测多样性

不同的昆虫种类具有不同数量和类型的气味受体，反映了对蜜蜂，白蚁，蟑螂及其无数昆虫弟兄至关重要的气味范围。研究人员估计，已经发展了数以千万计的受体变种，每种受体都经过调整以检测特定的化学物质或气味。尽管存在这种多样性，但所有受体的功能都相同：它们形成离子通道 - 带电粒子的通道 - 只有当受体遇到其目标气味时才会打开。

“昆虫气味受体很可能是自然界中最大的离子通道家族，它们非常多样化，”Ruta，Gabrielle H. Reem和Herbert J. Kayden副教授说。“所以我们面临着一个根本的谜团：你如何获得数百万种不同的频道变体，但是所有变体都做同样的事情?”为了解昆虫如何实现多样性和一致性的微妙平衡，Ruta的团队将目光投向了一个名为Orco的通道亚单位。

嗅觉离子通道由一种Orco蛋白质和气味受体蛋白质的组合制成，这些蛋白质因物种而异。由于Orco在昆虫世界中如此一致，Ruta的团队怀疑，通过研究这个亚基，他们可以更好地理解这些通道是如何工作的。

使用低温电子显微镜 - 一种通过在冷冻标本上发射电子来分析蛋白质特征的方法 - 研究人员定义了完全由Orco蛋白质制成的通道结构(称为Orco同系物)。他们发现这个通道由一个中心孔组成，即离子流过的区域，被四个亚基包围。他们还观察到亚基在单个点处结合在一起，Ruta称之为锚定域。

“它几乎就像是一朵花束，每朵花都放在中心，茎秆朝不同的方向展开，”她说。

不仅仅是漂亮，这种微观的花束提供了关于受体多样性如何演变的线索。以前，尚不清楚单个复合物如何物理地容纳自然界中发现的各种气味受体- 由不同氨基酸序列组成的蛋白质“茎”如何与Orco相连并且彼此和谐地相互作用。然而，一旦Ruta观察到Orco同系物的结构，她说，这一切都是有道理的。

“如果蛋白质紧密堆积在一起，它们必须在化学上相互补充;但这些亚基非常松散地堆积在一起 - 它们几乎没有接触，”她说。“通过在锚定域中集中相互作用，蛋白质的其余部分可以非常迅速地多样化和进化。”

把它放在一起

在另一项实验中，研究人员分析了四种非常不同的昆虫物种的气味受体。他们发现，尽管这些蛋白质差异很大，但它们在孔和锚定域中具有共同的特征，这表明这些受体组分在物种间是保守的。此外，研究人员怀疑Orco是故障安全的，确保如果这些区域发生变异，通道仍然可以完成其工作。

“Orco扮演两个角色：它将所有东西放在一起;它也有助于正确地发挥作用，”该研究的第一作者，研究助理Joel Butterwick说。“参与结合不同气味的区域可以自由发展，因为你有一个稳定的组件可以将所有东西组合在一起。”

除了提供对昆虫的洞察之外，这一系列研究可能最终导致人类可以直接受益的创新。蚊子叮咬至少引起发痒，刺激性的肿块;但在世界许多地方，他们也可以传播严重的疾病，包括疟疾，寨卡病毒和登革热。防止这些疾病的一种方法是干扰昆虫闻到人类宿主的能力。

Ruta说：“我们希望利用我们的结构性见解，最终开发更好的驱虫剂，并帮助减轻与疟疾和其他由蚊子传播的疾病相关的人类健康负担。”