要點：
昆蟲的嗅覺受體是一個離子通道。當氣味分子與嗅覺受體結合時，離子通道打開，離子流在内部，引起動作電位。
研究人員研究了石蛾的嗅覺受體，發現不同的氣味分子連接配接到受體的同一口袋。這不是經典的鑰匙鎖模式，而是一對多的組合。
他們發現，即使改變受體口袋中的單個氨基酸也足以改變受體口袋的結合特性。這也許可以解釋為什麼昆蟲的嗅覺受體進化得如此之快，物種之間的差異如此之大。
編寫|喬丹娜·塞佩萊維奇
編譯|阿舒
回顧|麗霞
編輯|嘉輝，安永
資料來源：下一個問題
嗅覺，而不是視覺，是大多數動物最重要的感覺。它使動物能夠找到食物，避免危險并吸引配偶;它捕捉動物的感覺并指導其行為;它決定了動物如何解釋和回應周圍的大量感官資訊。
然而，在我們的感官中，嗅覺也可能是最難了解的，部分原因是它輸入的資訊的複雜性。我們想到的單一氣味 - 早晨咖啡的氣味，夏季暴風雨後濕草的氣味，洗髮乳或香水的氣味 - 通常是數百種化學物質的混合物。為了讓動物檢測和識别對其生存至關重要的多種氣味，其嗅覺感覺神經元上的有限受體必須以某種方式識别大量化合物。是以，單個受體必須能夠對許多不同的，看似無關的氣味分子做出反應。
現在，新的研究在澄清嗅覺過程的初始階段方面采取了關鍵且備受期待的步驟。在今年早些時候線上發表的預印本中，洛克菲勒大學的團隊首次提供了嗅覺受體和氣味分子組合的分子視圖。瑞士洛桑大學的生物學家理查德·本頓（Richard Benton）沒有參與這項新研究，他說，自從30年前發現嗅覺受體以來，"這一直是該領域的夢想"。
果蠅的觸手。圖檔來源：Fruit fly antenna PS MicroGraphs的科學圖像
這個結果對于确定動物如何識别和區分大量的氣味非常有幫助。它還說明了受體活性的關鍵原理，這可能對了解化學感覺的進化，了解其他神經系統和過程如何工作以及開發靶向藥物和驅蚊劑産生深遠的影響。
幾個假設互相競争，以解釋嗅覺受體如何實作必要的靈活性。一些科學家認為，受體對氣味分子的單一特征（如形狀或大小）做出反應，然後大腦可以通過組合來自不同受體的資訊來識别氣味。其他研究人員認為，每個受體都有多個結合位點，可以與不同類型的化合物對接。但為了弄清楚這些想法中哪一個是正确的，他們需要看到受體的實際結構。
MhOR5（石頭嗅覺受體）的制冷鏡結構從側面（e）和頂部（f）顯示。圖檔來源：https://doi.org/10.1101/2021.01.24.427933
原始昆蟲的嗅覺受體
洛克菲勒的團隊将他們的研究轉向了石蛾的受體互相作用。石黑是現存最原始的昆蟲，具有特别簡單的嗅覺受體系統。
在昆蟲中，嗅覺受體是離子通道，當氣味分子與它們結合時被激活，引起動作電位。在世界各地的昆蟲物種中有數百萬個這樣的離子通道，是以嗅覺受體可能是自然界中最大和最多樣化的離子通道家族。是以，它們必須仔細平衡共性和特異性，既要有足夠的靈活性來檢測大量的潛在氣味，又要有足夠的選擇性來可靠地識别重要的氣味，這些氣味可能因物種或環境而異。
研究人員在跳躍的鬃毛尾巴中發現了一種氣味受體。這種無翅昆蟲的嗅覺系統更簡單，更原始，使其成為測試的理想選擇。圖檔來源：小出康典
是什麼機制允許他們采取如此精确的方向并以這種方式發展？通過傳統方法研究嗅覺受體的三維蛋白質分子結構效果并不理想。在這些方法所需的條件下，嗅覺受體傾向于不正确地折疊，行為異常或變得難以區分。但最近的進展，特别是一種稱為冷凍電子顯微鏡的成像技術，使研究人員能夠嘗試新的方法。
他們研究了三種不同形式的亞石黑嗅覺受體的結構：一種與受體本身結合，一種與常見的氣味分子丁香（丁子香酚，聞起來像丁香）結合，另一種與驅蟲後代（DEET）結合。然後，他們将這些結構與單個原子進行比較，以了解氣味結合如何打開離子通道以及單個受體如何識别形狀和大小顯着不同的化學物質。
制冷電鏡在模組化區域的密度，從上到下依次為：丁香酚結合結構、避蚊胺結合結構、蛋白質結合預結合結構。
研究人員發現，盡管驅蚊劑和丁香作為分子沒有太多共同之處，但它們都與受體處于相同的位置。該位置是一個深而簡單的口袋，内部排列有許多氨基酸，這有助于形成松散的弱互相作用。丁香酚和驅蚊劑使用不同的互相作用來駐留在口袋裡。進一步的計算模拟表明，每個分子可以在許多不同的方向上結合，并且許多其他類型的氣味化合物可以以類似的方式與受體結合。這不是一對一的關鍵模式，而是一種一刀切的方法。（見段落末尾的圖表）
嗅覺受體"更全面地識别分子，而不僅僅是檢測任何特定的結構特征。該研究的作者Vanessa Ruta說："這是一個非常不同的化學邏輯。"
當Ruta和她的團隊改變受體口袋時，他們發現即使是單個氨基酸的突變也足以改變它們的結合特性。反過來，這足以影響受體與許多化合物的互相作用，完全重置受體起作用的物體。例如，擴大受體口袋會增加其對避免蚊子的胺（較大分子）的親和力，并降低其對丁香（較小分子）的親和力。這可能是因為丁香的尺寸很小，不适合較大的受體口袋）。這些變化也對受體更廣泛的氣味檢測"調色闆"産生了下遊影響，研究人員沒有發現這一點。
該團隊的觀察結果可以解釋為什麼昆蟲嗅覺受體進化得如此之快，以至于物種之間存在如此多的差異。每種昆蟲可能已經進化出"自己獨特的受體，非常适合其特定的化學生态位"。"
"它告訴我們，除了受體和一堆配體之間的弱互相作用之外，還有更多的事情發生。神經生物學家Bob Datta說。圍繞單個結合口袋建構的受體，其反應曲線可以微調。受體化學成分的更大變化可能會加速進化過程。
受體的結構證明了這一觀點。Ruta和她的同僚們發現，由四個蛋白質亞基組成的受體松散地結合到通道的中心孔，就像花瓣一樣。随着受體的多樣化和進化，隻有中央區域是保守的，而控制其餘受體單元的基因序列則不那麼有限。這種結構組織意味着受體可以适應廣泛的多樣化。
受體水準的輕微進化限制可以對下遊嗅覺神經回路施加顯着的選擇壓力：神經系統需要良好的機制來解碼受體活動的混亂模式。"事實上，嗅覺系統已經進化到采用任意受體激活模式，并通過學習和經驗賦予它們意義。魯塔說。
感官知覺的多樣性
然而，有趣的是，神經系統似乎并沒有減輕自己的工作量。科學家曾經認為，單個嗅覺神經元上的所有受體都屬于同一類别，而不同類别的神經元分布在大腦的不同處理區域。然而，在11月發表的兩份預印本中，研究人員報告說，來自蒼蠅和蚊子的單個嗅覺神經元表達了多種類型的受體。
Ruta的發現遠非對嗅覺受體如何工作的解釋。昆蟲使用許多其他種類的離子通道嗅覺受體，其中許多比石蛾更複雜和特殊。在哺乳動物中，嗅覺受體甚至不是離子通道;
"這是第一個通過所有物種的任何受體中的氣味識别的結構。但這可能不是氣味識别的唯一機制。魯塔說。即便如此，她和其他研究人員認為，我們可以從石蛾的嗅覺受體中學到更多的常識。例如，想象一下，這種機制如何應用于動物大腦中的其他受體，從檢測神經調理（如多巴胺）的受體到受各種麻醉劑影響的受體。
她補充說，在其他情況下，也可以考慮這種靈活的組合。例如，三月份發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的一項研究表明，即使是典型的鎖鍵離子通道受體也可能不像科學家認為的那樣具有選擇性。
如果許多不同種類的蛋白質通過口袋中柔性弱互相作用與受體結合，這一原理可以指導各種疾病，特别是神經系統疾病的合理藥物設計。至少，Ruta對避免蚊子胺與昆蟲嗅覺受體相結合的研究可以為靶向驅蚊劑的開發提供新的見解。她的發現實際上揭示了半個多世紀以來關于避免蚊子胺如何起作用的争論。驅蚊劑是最有效的驅蟲劑之一，但科學家們無法了解為什麼 - 例如，它對昆蟲來說聞起來很糟糕，或者它是否損害了它們的嗅覺信号。Ruta和她的同僚的研究表明了一種不同的理論：避免蚊子的胺通過激活許多不同的受體并用無意義的信号淹沒它們的嗅覺系統來破壞昆蟲。
"化學認知的秘密是研究結構作為透鏡。"結構生物學是如此美麗，清晰，令人驚訝的解釋，"Ruta說。我的實驗室在細胞和系統神經科學方面做了很多工作，很少有實驗像結構一樣具有解釋性。"
關于作者
喬丹娜·塞佩萊維奇
Jordana Cepelewicz是Quanta雜志的生物學專欄作家。她關于數學、神經科學和其他學科的書籍也出現在《鹦鹉螺号》和《科學美國人》上。她于2015年畢業于耶魯大學，獲得數學和比較文學學士學位。
本文授權轉載自微信公衆号"nextquestion"。
源語言：
https://www.quantamagazine.org/secret-workings-of-smell-receptors-revealed-for-first-time-20210621/