昆虫嗅觉：气味分子识别机制的功能解析与演化视角

《Annual Review of Entomology》：Odorant Reception in Insects: Functional and Evolutionary Perspectives

这篇综述系统性阐述了昆虫嗅觉感受机制的分子基础与演化历程。文章以法布尔的开创性观察为引，详述了气味结合蛋白（OBP）、气味受体（OR）、离子型受体（IR）、味觉受体（GR）等关键分子的结构、功能及其在信息素、植物挥发物等化学信号识别中的作用。文中重点探讨了PBPs的pH依赖构象变化运输机制、CO2受体的发现、OR/IR系统的交织以及从广谱到特异受体的演化模式，并介绍了CRISPR、冷冻电镜等现代技术在解析嗅觉奥秘中的应用，为理解昆虫行为调控及开发新型害虫防控策略提供了深刻见解。

　　

引言：从法布尔的“难忘之夜”到分子嗅觉时代

一百五十五年前，法国博物学家让·亨利·法布尔通过观察雄性大孔雀蛾（Saturnia pyri）依靠嗅觉定位雌性的现象，为性信息素的发现、化学生态学及昆虫嗅觉研究奠定了基础。如今，得益于组学、CRISPR/TALEN基因编辑、光遗传学、AlphaFold结构预测、冷冻电镜等前沿技术，我们对昆虫嗅觉受体如何演化、众多物种嗅觉基因的功能及其编码蛋白、以及配体-受体相互作用的复杂结构基础有了更深的理解，见证了一场理解昆虫如何通过嗅觉感知世界的分子革命。

昆虫嗅觉系统的分子架构

化学感受蛋白与气味分子的摄取

昆虫主要的嗅觉器官是触角和下颚须，其上着生有毛发状或孔板状嗅觉感器。这些感器与神经系统同源，均起源于外胚层组织。每个嗅觉感器内居住着双极嗅觉受体神经元（ORN），其树突浸泡在充满球形蛋白的感受器淋巴液中。这些可溶性蛋白被认为能增溶信息素等化学信号，保护气味分子免于被降解酶失活，并有助于嗅觉系统的灵敏度与选择性。

其中，气味结合蛋白（OBP）和化学感受蛋白（CSP）是两个主要的蛋白家族。经典OBP家族的特征是含有六个形成三对二硫键的保守半胱氨酸，可分为信息素结合蛋白（PBP）、普通气味结合蛋白（GOBP）和触角结合蛋白X等亚家族。此外，还有Plus-C、Minus-C、非典型和二聚体OBP等。OBP和CSP都具有新颖的α螺旋折叠结构，但二硫键连接方式不同。另一种与嗅觉相关的蛋白家族，Niemann-Pick C2型蛋白，则具有截然不同的免疫球蛋白样β-三明治折叠。

虽然PBP特异地表达于信息素探测感器中，但OBP和CSP也广泛表达于非感觉器官、血淋巴、肠道和脂肪体等部位，参与氨基酸感知、味觉、湿度感受、抗干燥、植物次生代谢物接收、免疫系统发育甚至促进飞行活动等多种功能。这表明“OBP”和“CSP”的命名可能具有局限性，有学者建议将它们统称为“封装蛋白”，而OBP仅指代其中具有明确嗅觉功能的成员。

以家蚕（Bombyx mori）为例，其触角上约有17,000个探测蚕蛾醇的毛形感器。感器淋巴液pH值为6.5，其中含有浓度估计为3 mM的PBP——BmorPBP1。核磁共振研究表明，BmorPBP1存在两种生理相关的构象（BmorPBP^A和BmorPBP^B），并能发生快速的pH依赖性构象变化。在感器淋巴pH下，未结合配体的BmorPBP主要以A形式存在，其C末端螺旋占据结合口袋。当蚕蛾醇进入后，会与C末端螺旋竞争结合位点，将平衡推向B形式。这种由pH和配体共同介导的构象变化，被提出作为一种信息素结合、运输和释放的精密机制：信息素在感器孔管附近的低pH区域与BmorPBP^A结合，诱导其转变为B形式复合物；该复合物扩散至pH较高的淋巴液主体，稳定性增加，从而保护信息素；当复合物抵达带负电荷的树突膜附近时，局部低pH再次触发构象变回A形式，释放信息素以激活受体。

气味结合蛋白的体内功能研究

随着组学和CRISPR技术的应用，OBP的体内功能得以直接验证。在果蝇（Drosophila melanogaster）中的研究结果令人惊讶。通过CRISPR/Cas9敲除特定感器中高表达的OBP基因（如OBP28a、OBP83a、OBP83b等），单感器记录显示，突变体对辛醇等气味分子的电生理反应并未减弱，甚至更强。这表明在某些果蝇的基础感器中，这些高丰度OBP对于气味分子运输并非必需，反而可能起到缓冲作用。

然而，在鳞翅目昆虫中，PBP对于信息素接收似乎至关重要。通过对斜纹夜蛾（Spodoptera litura）、棉铃虫（Helicoverpa armigera）、二化螟（Chilo suppressalis）和家蚕的PBP基因进行CRISPR敲除，电触角电位图记录显示，突变雄蛾对性信息素成分的EAG反应显著降低，但并未完全消失，且行为吸引力也有所减弱。更精细的研究来自对家蚕BmorPBP1的敲除。研究表明，缺失BmorPBP1不仅降低了雄蛾对蚕蛾醇的敏感性，还延迟了嗅觉系统的恢复时间，降低了感觉的时间分辨率，并严重损害了雄蛾在风洞中追踪信息素羽流、定位雌蛾的行为效率。这首次在体内证明了PBP对于高效定位配偶的重要性。针对普通气味结合蛋白GOBP2的敲除研究也表明，其在斜纹夜蛾的性信息素接收中扮演角色，挑战了“GOBP仅参与植物挥发物识别”的传统观点。

二氧化碳受体

二氧化碳（CO₂）虽非挥发性有机化合物，但在蚊虫、蛾类和果蝇的宿主定位、觅食和产卵场所选择中起关键作用。昆虫通过味觉受体（GR）感知CO₂。例如，果蝇通过触角神经元ab1C中的DmelGR21a和DmelGR63a检测CO₂。在蚊虫中，研究揭示了其CO₂感知机制：GR2和GR3共同形成功能性CO₂受体，而GR1则作为调节子，增强（在某些物种中）或减弱CO₂反应。通过异源表达和电生理实验证实，激活受体的是CO₂本身，而非碳酸氢根离子或氢离子。

Pickpocket与瞬时受体电位通道

另外两个参与非挥发性化学信号检测的受体家族是Pickpocket（PPK）蛋白和瞬时受体电位（TRP）通道。PPK属于退化蛋白/上皮钠通道家族，在果蝇复杂的交配系统中，PPK23、PPK25和PPK29等参与检测非挥发性信息素（如7,11-二十七碳二烯和7-二十三烯），分别调控雄-雌求偶和抑制雄-雄求偶。TRP通道感知物理和化学刺激，其中TRPA亚家族成员（如果蝇和蚊子的TRPA1）被发现可被香茅醛、猫薄荷等驱避剂激活，可能参与化学感受，但其在嗅觉中的确切作用仍需更多证据。

气味受体与离子型受体及其共受体

昆虫中研究最深入的两种嗅觉受体是气味受体（OR）和离子型受体（IR）。OR与一个高度保守的气味受体共受体（Orco）形成异源四聚体离子通道。相反，IR由更古老的离子型谷氨酸受体演化而来，参与嗅觉、味觉、温湿度感受等多种功能。IR也形成四聚体通道，通常包含至少一个结合受体（IRx）和共受体IR8a、IR25a或IR76b（合称Irco）的亚基。其中，IR8a主要作为嗅觉共受体，IR25a还参与味觉和温湿度感觉，IR76b则主要作为味觉共受体。

传统观点认为IR和OR系统是相互独立的。然而，新证据表明它们可能存在交织。例如，在果蝇中，IR共受体IR25a与Orco在众多神经元中共表达，敲除IR25a会影响某些OR神经元的反应。这表明昆虫的IR和OR嗅觉系统可能存在相互作用，是未来研究的重要方向。

Orco基因除了编码共受体蛋白，还参与OR从内质网到细胞膜的运输，并在某些昆虫（如蚂蚁、蜜蜂）中影响ORN的正常发育和触角叶的形成。有趣的是，在更原始的石蛃目昆虫中，发现了不依赖Orco、可形成同源四聚体气味门控离子通道的OR，其冷冻电镜结构与膜翅目昆虫的Orco四聚体结构惊人相似。

受体的鉴定、演化与特异性

通过爪蟾卵母细胞双电极电压钳、钙成像荧光测定和“空神经元”系统，来自直翅目、蜚蠊目、半翅目、虱毛目、双翅目、鳞翅目、鞘翅目和膜翅目等多个昆虫目的OR被成功“脱孤”（即鉴定出其配体）。研究发现，除飞蝗（Locusta migratoria）的OR绝大多数都精细或窄谱地调谐于单一或少数配体外，大多数昆虫的嗅觉系统都由广谱和窄谱调谐的OR共同组成。

关于OR多样性的演化，一个主流假说是“生死演化”模型，涉及基因复制和假基因化事件。在蛾类中，对性信息素受体（PR）的系统发育研究支持了这一假说。研究表明，窄谱调谐的PR可能源于一个编码广谱受体的基因的复制事件，其中一个拷贝演化出对物种特异性性信息素的高度特异性，而另一个拷贝则保留了祖先受体的广谱特性。通过对几种夜蛾属物种OR5及其旁系同源基因的 ancestral gene resurrection（祖先基因复活）研究，为这一假说提供了直接证据。

对受体特异性分子基础的研究一直是热点。早期对欧洲玉米螟和亚洲玉米螟信息素受体的研究表明，跨膜区3中的单个氨基酸残基（丙氨酸/苏氨酸）决定了受体对同种雌性信息素的特异性。在蚊虫中，对南方家蚊产卵引诱物受体CquiOR10（识别粪臭素）和CquiOR2（识别吲哚）的研究发现，一个丙氨酸/亮氨酸的突变即可逆转其配体特异性，尽管两蛋白序列一致性仅49.5%。AlphaFold等蛋白结构预测模型帮助揭示了这些特异性决定残基如何通过空间位阻效应塑造配体结合口袋。

驱避剂DEET的感知机制

驱虫剂DEET的感知机制仍存谜团。研究表明，南方家蚊能通过触角中的嗅觉神经元感知DEET蒸汽，并鉴定出一个DEET受体CquiOR136，该受体还能被茉莉酸等植物化合物激活。RNAi降低CquiOR136表达会显著削弱DEET的驱避效果。然而，DEET对其他OR（如蚊子的吲哚/粪臭素受体）表现出反向激动剂的作用，即抑制其基础活性或配体诱导的活性。此外，有证据表明埃及伊蚊能通过跗节（“脚”）上的接触受体检测DEET。而在疟蚊中，有研究认为DEET不直接激活外周ORN，其作用机制可能更为复杂。最新的研究发现，埃及伊蚊的单个神经元可共表达多个化学感受受体基因，这为理解DEET等多功能分子如何通过复杂机制发挥驱避作用开辟了新的研究途径。

总结

1. 1.
   CRISPR/Cas9产生的OBP敲除果蝇对化学信号的生理反应强于野生型，这对OBP在气味运输中的核心作用提出了挑战，至少在果蝇的部分感器中如此。
2. 2.
   来自野生型和PBP敲除蛾类的电生理数据支持PBP在鳞翅目物种的感觉生理和行为中至关重要。
3. 3.
   NMR研究揭示了家蚕PBP（BmorPBP）受pH和配体调控的构象变化机制，为信息素的结合、运输和释放提供了模型。
4. 4.
   蚊子通过两个GR（而非碳酸氢根受体）检测CO₂，第三个GR起调节作用。
5. 5.
   PPK和TRP受体参与化学感受，但其在嗅觉中的作用需更多证据。
6. 6.
   除飞蝗外，昆虫的OR库通常由窄谱和广谱调谐受体组合而成。
7. 7.
   在蛾类中，窄谱信息素受体可能源于广谱OR基因的复制，一个拷贝特化，另一个保留祖先特性。
8. 8.
   新的证据表明，ORN可能共表达多种受体，包括OR和IR的组合。
9. 9.
   DEET作为一种气味分子的接收机制仍不明确，不同蚊种可能存在不同的直接或间接检测机制。