《iScience》:Control of odor sensation by light and cryptochrome in the Drosophila antenna
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果蠅依靠嗅覺辨別食物等,但環境光對其嗅覺的影響未知。研究人員聚焦此開展 “Control of odor sensation by light and cryptochrome in the Drosophila antenna” 研究。結果發現 UV 或藍光可降低果蠅對某些氣味的厭惡,該過程依賴隱花色素(Cry)。這揭示了光調節嗅覺的新機制。
在神奇的微觀世界里,果蠅雖小,卻有著獨特的生存智慧,嗅覺便是它們生存的重要 “武器” 之一,幫助它們區分安全與有害食物。然而,環境中還有一種常見因素 —— 光,它對果蠅嗅覺的影響卻一直是個未解之謎。以往研究發現,人類的味覺會受到多種感覺刺激的影響,比如食物溫度、質地等,那光是否也會對嗅覺產生作用呢?為了解開這個謎團,來自美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的研究人員展開了一項極具意義的研究。他們的研究成果發表在《iScience》雜志上,為我們揭示了光與果蠅嗅覺之間的神秘聯系。
研究人員為探究光對果蠅嗅覺的影響,采用了多種技術方法。行為學實驗方面,運用改良的雙向選擇測定法(direct airborne repellent test,DART2),觀察果蠅在不同光照和氣味條件下的行為反應;電生理實驗上,通過觸角電位圖(electroantennograms,EAGs)記錄果蠅觸角在光刺激下對氣味反應的變化;還利用免疫組化技術確定隱花色素(Cryptochrome,Cry)等蛋白的表達位置,以及通過 DCFDA 成像檢測活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產生。
在研究結果部分,首先是 DART2 測定嗅覺避害反應。研究人員發現,利用 DART2 測定法,果蠅對 1% 苯甲醛(benzaldehyde,BA)有強烈的回避反應,且當實驗中果蠅數量≥8 只時,反應變異性更小。同時,性別對果蠅對 BA 的反應沒有顯著影響。
接著發現 UV 和藍光可降低對苯甲醛的厭惡。實驗表明,暴露于 “白光”(包含紅、綠、藍、UV 光)下,果蠅對 1% BA 的回避明顯減少。進一步研究不同波長的光,發現 UV(365nm)或藍光(450nm)能抑制對 BA 的排斥,且當 UV 光強度≥20μW/cm2 或藍光強度≥18μW/cm2 時,厭惡反應顯著降低。此外,UV 光對不同濃度 BA 的反應影響不同,對 0.1% 和 0.5% BA 無明顯作用,對 10% BA 因本身厭惡反應過強也無影響。而且,UV 光對其他氣味物質如異硫氰酸烯丙酯(allyl isothiocyanate,AITC)、香茅醛(citronellal)等的反應影響各異,對異戊酸(isovaleric acid)和檸檬草(lemongrass)的厭惡反應也有顯著降低作用。
然后是 ORN 反應受光抑制,且不依賴視紫紅質。EAG 實驗顯示,藍光照射下,果蠅對 BA 的反應減弱,表明光會影響觸角中 ORN 的活性。研究還發現,視紫紅質并非抑制對 BA 排斥所必需,缺乏 norpA 基因(其編碼的蛋白與部分視紫紅質信號傳導相關)的果蠅在 UV 光下對 BA 的厭惡反應與對照組相似,影響 Rh1、Rh3、Rh4 的突變也不改變光對 BA 厭惡反應的影響,雖然 Rh7 突變會減弱光的作用,但在觸角中未檢測到 Rh7 的表達,說明其對觸角嗅覺反應的影響并非直接作用。
之后明確 Cryptochrome 是光抑制嗅覺回避所必需的。研究發現,Cry 基因的無效突變(cry01)消除了 UV 或藍光對 BA 嗅覺回避的抑制作用。EAG 實驗也表明,cry01果蠅在藍光下對 BA 仍有較強反應,說明 Cry 在光抑制氣味反應中起重要作用。
研究還發現 cry 在嗅覺感器的非神經元細胞中表達且發揮作用。通過實驗發現,cry 在嗅覺感器的支持細胞中表達,而非嗅覺受體神經元(olfactory receptor neurons,ORN)。利用 cry-GAL4 驅動 UAS-mCD8::GFP 表達,結合其他細胞標記物實驗,證實了 cry 在支持細胞中的表達。并且,在支持細胞中表達 cry(UAS-cry)能恢復 cry01突變體在 UV 光下對 BA 的厭惡反應降低現象。
此外,明確了活性氧在調節氣味反應中的作用。研究表明,UV 光激活 Cry 會使觸角中產生 ROS,cry01突變體觸角中 ROS 產生減少。在支持細胞中表達雙氧化酶(dual oxidase,DuOx)增加 ROS 生成,可在黑暗中降低果蠅對 BA 的排斥,說明 ROS 在調節氣味反應中發揮作用。
最后確定 TRPA1-C 是對苯甲醛回避所必需的。研究發現,TRPA1 基因的 C 亞型(TRPA1-C)在 ORN 中表達,trpA1-C 敲入果蠅(trpA1-C-KI)對 BA 的回避反應與對照果蠅相似,在 trpA1 null 突變體背景下表達 UAS-trpA1-C 可挽救突變體表型,而表達 UAS-trpA1-D 效果不明顯。并且,BA 可直接激活表達在昆蟲細胞系(S2 細胞)中的 TRPA1-C,H2O2激活 TRPA1-C 后會使其對 BA 的激活不再響應。
綜合研究結論與討論部分,該研究首次證明了嗅覺器官中的光感受會影響氣味檢測。研究發現光通過激活支持細胞中的 Cry 產生 ROS,使 ORN 中的 TRPA1-C 脫敏,進而減弱果蠅對某些氣味的厭惡反應。這一發現不僅揭示了光調節果蠅嗅覺的新機制,還表明嗅覺感器中的支持細胞可作為一類新的光敏感細胞。這為深入理解嗅覺感知的調控機制提供了新的視角,也為后續研究其他生物的嗅覺與光的關系奠定了基礎,具有重要的科學意義。