Nature | Taste by touch：章鱼如何通过触觉探索海底世界

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对化学物质的感知是生物体普遍具备的能力¹，但在不同类型的生物中，由于生存环境以及行为活动的差异，生物的化学感知系统会发生不同程度的特化。譬如，水生生物通过感知水中的亲水性分子而获得信息，当其进化为陆生生物后，化学感知系统的配体就变成了空气中传播的非亲水性分子²。当然，这一说法也存在例外，比如章鱼等水生生物体内就还存在化学触觉系统 (图1)，这一系统赋予了这类水生生物感知水中不可溶化学物质的能力²。

图1. 章鱼触手上的化学触觉受体

章鱼触手吸盘的感觉上皮上具有头足纲生物特有的化学触觉受体 (chemotactile receptor, CR) (图1)，此前研究揭示CR能够在水中感知一种难溶的名为萜烯 (terpene) 的分子³。CR以同源或异源五聚体的形式存在，发挥配体门控离子通道的作用³。其从离子型神经递质受体——烟碱受体演化而来，二者之间存在很高的序列一致性²。然而，CR与烟碱受体之间又存在一定的差异，二者在对化学信号的感知、转导及整合方面均明显不同⁴。

2023年4月12日，来自哈佛大学的Nicholas W. Bellono和来自德克萨斯大学西南医学中心的Ryan E. Hibbs共同通讯，在Nature上在线发表了题为Structural basis of sensory receptor evolution in octopus的科研论文。在本文中，研究者解析了章鱼CR的冷冻电镜结构，通过在进化和结构等方面与烟碱受体进行比较，发现受体离子通透的通道结构具备高度的保守性，然而配体结合的正构位点则在进化上受到较大的影响，为理解原子水平的进化适应以及生物新行为之间的联系提供了结构基础。

在章鱼的15号染色体上存在26个无内含子的CR基因，这提示在从原始的烟碱受体样基因(nicotinic receptor-like gene) 向新的感受受体进化的过程中，非同源重组和反转座在这一基因家族的逐渐壮大中发挥了主要的作用。CR相比于烟碱受体，在序列上的演化速率更高，提示这些受体可能存在结构上的差异，使其功能特化为感觉受体，从而与烟碱受体等神经递质受体区分开来。在本文中，研究者选择了所有CR中目前研究的最为透彻的CRT1 (chemotactile receptor for terpene 1) 作为研究对象，通过与α7烟碱受体进行结构与功能的比对，以尝试阐述章鱼感觉受体进化的结构基础 (图2)。

图2. 章鱼的CR与AchR

通过重组表达全长的CRT1并用GDN溶膜进行纯化，研究者得到了适合用于冷冻电镜数据采集的单颗粒样品。经数据处理后，最终蛋白的整体分辨率可达2.6 Å，其跨膜结构域 (transmembrane domain, TMD) 和胞外结构域 (extracellular domain, ECD) 均具有对称性。与α7受体类似，CRT1组装的五聚体通道复合物含有中央离子通道，每个亚基的结构均与Cys-loop受体家族成员相一致。TMD的M1-M3密度清晰，而M4密度缺失，ECD由N端1个短α-螺旋和10个β-折叠组成，连接β6-β7的二硫键对于受体的稳定性和通道功能的发挥具有重要作用。在结构中，离子通过CRT1的路径与α7类似，ECD部分开口较大，通道内侧以极性氨基酸残基为主，而TMD部分相对狭窄 (图3)。

图3. CRT1冷冻电镜结构

对于离子通道而言，对离子的透过性是其最主要的特征。在α7中，但不是其他尼古丁受体中，ECD的E97在胞外形成了一个阴离子环，对Ca²⁺的透过发挥了至关重要的作用。在CRT1中， 相应的位置被E104，形成ECD最为缩窄的部分，提示E104可能以类似的机制影响Ca²⁺的透过。紧邻ECD的TMD部分所形成的孔道主要由疏水氨基酸残基组成，而TMD另外一半孔道则由极性氨基酸残基构成，在胞质侧形成由谷氨酸组成的另一个阴离子环，这些特征决定了通道对阴离子和阳离子的选择性。CRT1孔道的结构揭示了其与α7烟碱受体在钙离子渗透性、孔径和化学特性方面的共同特征 (图4)。

图4. CRT1通道的离子透过路径

研究者推测，感觉受体相比于神经递质受体，在整体结构上虽是保守的，而一些功能上重要的区域可能会是二者在进化上趋异的部位。CRT1作为一种化学触觉受体，能够被植物、真菌和许多微生物产生的烷烃类分子 (如萜烯) 激活，为进一步确定CRT1中的配体结合位点，研究者进一步萜醇类激动剂costunolide存在情况下对CRT1进行纯化，然而在最终解析得到的结构中，研究者并未观察到costunolide的密度。在α7中神经递质结合的相应位置，CRT1中则结合了一个GDN分子。CRT1的配体结合位点与其他神经递质受体不同，由两个亚基之间的一个扁平、疏水的表面组成，可能因而可以结合类固醇类分子。在后续的实验中，研究者发现，GDN以及其他结构相类似的分子都可以高效地激活CRT1，并且这种效应可以被CRT1的抑制剂拮抗 (图5)。

图5. CRT1能够结合GDN以及其他类似的分子

有趣的是，这些化合物中的一部分能够诱发章鱼断肢的神经活动，其中，鱼提取物、倍半萜类化合物nootkatone和雌激素型真菌毒素zearalenone引起的反应较强、缓慢且不易耗竭。在测量过程中，研究者还观察到，激动剂也会引起断肢的自主行为反应 (在一次实验中，断肢甚至能爬出实验装置) (图6)，即使章鱼的触手被从个体上分离，其分布式的神经系统仍能赋予每只查收集成环境信号并行使自主行为的能力，提示CRT1能结合不易溶解的分子并将多种信息传递给神经系统。

图6. 化合物诱发断肢的自主活动

那么，CR特殊的结构特征是如何演化产生以介导新功能的呢？通过CRT1和α7的氨基酸序列进行比对，发现承受最大正向选择压力的氨基酸残基主要集中在ECD的激动剂结合位点 (loop A-F)，而构成“滑腻”的结合位点的疏水性氨基酸残基是经历最强烈多样性选择的部分之一。将这些残基突变为丙氨酸不仅改变了通道对激动剂敏感性，还会导致通道的持续性活化，因此，正构底物结合位点的多样性对功能的转变至关重要 (图7)。

图7. 正构位点的进化促进了CRT1与α7受体功能的趋异

综上，本文为我们理解生物的感觉系统如何适应独特的生存环境提供了基础。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05822-1

参考文献

参考文献

1.Bargmann, C. I. Comparative chemosensation from receptors to ecology. Nature 444, 295–301 (2006).

2.Mollo, E., Garson, M. J., Polese, G., Amodeo, P. & Ghiselin, M. T. Taste and smell in aquatic and terrestrial environments. Nat. Prod. Rep. 34, 496–513 (2017).

3.van Giesen, L., Kilian, P. B., Allard, C. A. H. & Bellono, N. W. Molecular basis of chemotactile sensation in octopus. Cell 183, 594–604 (2020).

4.Croset, V. et al. Ancient protostome origin of chemosensory ionotropic glutamate receptors and the evolution of insect taste and olfaction. PLoS Genet. 6, e1001064 (2010).

供稿 | 王彤彤

审稿 | 丛野

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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THE END

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