Science | 蚊子气味感知的结构基础
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动物依赖嗅觉做出一些重要的行为反应。例如，蚊子利用它们的嗅觉来寻找人类宿主并一饱血餐，从而可能传播像疟疾、登革热和黄热病等病原体。因此，针对蚊子嗅觉的研究具有重要的公共卫生价值。包括蚊子在内的大多数昆虫的嗅觉感知依赖于气味受体——一种气味剂激活的离子通道。这样的离子通道通常是由气味剂结合亚基（odorant-binding subunit ，OR)和保守的共同受体（co-receptor subunit , Orco) 组成的异四聚体复合物。然而此前关于蚊子嗅觉受体组装和激活的分子机制尚不明确。
2024年6月13日，哈佛医学院的 Josefina del Mármol 团队在Science上发表了Structural basis of odor sensing by insect heteromeric odorant receptors文章，通过冷冻电镜为主的结构生物学手段揭示了两种昆虫气味受体异四聚体复合物的高分辨率结构，首次发现了OR 和 Orco 以化学计量比1：3 方式组装（而非此前推测的化学计量比2:2组装）。通过比较结合与未结合气味剂的结构，作者发现气味剂与这唯一的OR亚基结合就足以引发离子通道的开放。这个工作揭示了OR激活机制，并为昆虫气味受体的进化提供一定的启发。
在蚊子等昆虫中，嗅觉激活的离子通道表达在嗅觉感受神经元（OSNs）树突膜上。在昆虫OR 家族研究中，来自跳虫目（Archaeognatha，跳毛虫）的嗅觉受体被鉴定为同源四聚体离子通道，其中每个相同的亚基包含一个结合口袋，可以与嗅觉分子相互作用以引发通道开启。然而，大多数昆虫，包括果蝇、蚊子、蚂蚁和蜜蜂，表达的嗅觉受体组装成由两种亚基组成的必需异源复合物：一种是嗅觉结合亚基（OR），另一种是称为Orco的OR共受体。大多数物种含有许多不同的OR，但只表达单一的Orco。Orco的氨基酸序列在广泛的昆虫种类中高度保守，并且不同物种的Orco可以功能上相互替代。生化和电生理研究已经证实，OR和Orco组装成四聚体。基于间接证据的当前模型提出每个复合物包含两个OR和两个Orco亚基的排列，但这尚未被证明。尽管Orco是嗅觉受体复合物的必要部分，但它们不直接与任何已知的天然配体相互作用，因此它们在嗅觉感知的结构和功能中起到一个什么样的作用尚不清楚。
作者首先聚焦在了蚊子中OR10受体家族，这一嗅觉受体家族能够响应吲哚及其衍生物。然而一开始尝试表达埃及伊蚊（Ae. aegypti）的OR10以及Orco并未获得可以用于结构解析的理想的蛋白复合物。考虑到Orco的高度保守和不同物种上功能相互替代的性质，作者最终成功共表达了埃及伊蚊的OR10和此前已有结构研究的来自榕小蜂（Apocrypta bakeri）的Orco复合物，AaOR10/Orco。电生理实验证明了AaOR10的配体——邻甲酚（o-cresol）同样可以激活异源的AaOR10/Orco复合物。作者对使用化学剂量比1：1的AaOR10/Orco病毒载体（OR 上带tag）转染的HEK 293细胞进行复合物提取，成功获取分辨率为2.9 Å的AaOR10/Orco复合物。令人意外的是，OR 和 Orco呈现1：3的组装方式（图1）。进一步使用不同剂量比的OR/Orco 转染，均不影响这种1：3组装的结果（通过分子筛和SDS-PAGE衡量）。
图1. AaOR10/Orco以1：3组装形成复合物
o-cresol结合如何引发离子通道的开放？
作者随后解析了结合o-cresol的AaOR10/Orco复合物，同样拿到2.9 Å分辨率。对比分析揭示了进一步分析揭示o-cresol结合OR引发的离子通道开放机制（图2A,B）。此外，在未添加o-cresol的数据集中同时捕获了开放和闭合两种状态的复合物结构，表明在没有气味分子存在时，嗅觉受体的开放和闭合两种状态可能处于动态平衡中。在闭合状态下观测到了推测为脂质的密度，脂质的一端占据了在o-cresol结合OR的口袋，破坏了关键氨基酸N125与Q292的互作，从而将复合物稳定在了闭合状态（图2C,D）。o-Cresol 的结合能够阻止脂质的结合，并且将复合物稳定在开放状态，最终导致离子通道激活。
图2. A-B. o-cresol结合OR 引发离子通道开放
C-D, lipid和o-cresol 结合OR 引发的构象区别
1：3的组装方式是独特的吗？
作者另外解析了来自冈比亚按蚊（An. Gambiae）的OR28 与 Orco （来自榕小蜂）复合物。通过对其结合与未结合配体2, 4, 5-三甲基噻唑（2,4,5-trimethylthiazole , TMT)的结构解析发现了同样的OR/Orco 1:3方式组装的复合物。其配体结合、激活方式与OR10十分接近。这些结果表明这样的组装、激活方式在这一类OR家族中是广泛、保守的。
总结来看，本文通过对于来自黄热病和登革热（埃及伊蚊）以及疟疾（冈比亚按蚊）主要传播媒介的蚊子物种的气味受体的结构研究，揭示了OR与Orco1:3的组装方式，以及配体激活离子通道的结构基础，这可能有助于通过药理学手段针对蚊子嗅觉进行靶向药物开发，从而遏制虫媒疾病的传播。
本文通讯作者为哈佛大学医学院Josefina del Mármol 教授，一作为赵佳伟博士（清华大学生命学院清华-北大生命科学联合中心2013级博士生、医学院原博士后, 现为哈佛大学医学院博士后）。
供稿 | 孔方
审核 ｜谭佳鑫
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲 王婧曈
微信号：FRCBS-THU
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原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6384
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