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    Cell:揭示章鱼吸盘上的化学触觉受体作用机制

    发布日期:2020-11-13 19:16 化学论文

      事实上,数十年来,科学家们一直想知道章鱼的这些腕足---更具体地说,它们身上的吸盘---是如何发挥作用的,这促使人们对它们的生物力学特性进行了大量的实验。但是,很少有人研究过在分子水平上发生了什么。在一项新的研究中,来自美国哈佛大学的研究人员窥见了章鱼腕足中的神经系统(它的运作基本上独立于章鱼的中枢大脑)是如何管理这一壮举的。相关研究结果发表在2020年10月29日的Cell期刊上, 论文标题为“Molecular Basis of Chemotactile Sensation in Octopus”。

      这些研究人员在吸盘内的第一层细胞中发现了一个新的传感蛋白家族,这些传感蛋白已经适应了对不能很好地溶解在水中的分子作出反应和检测。这项研究表明这些称为化学触觉受体(chemotactile receptor)的传感蛋白利用这些分子来帮助章鱼弄清它所接触的东西,以及所接触的物体是否是猎物。

      论文通讯作者、哈佛大学分子与细胞生物学助理教授Nicholas Bellono说,“我们认为,鉴于这些分子不能很好地溶解,它们可能会在章鱼的猎物和[它们触摸的任何东西]的表面上被发现。因此,当章鱼触摸到螃蟹而不是岩石时,它的腕足知道,‘好吧,我正在触摸螃蟹[这是因为]我知道不仅有触摸,而且还有这种味道。’”

      此外,这些研究人员还发现,这些化学触觉受体对什么作出反应以及它们随后传递给细胞和神经系统的信号存在多样性。

      Bellono说,“我们认为这很重要,这是因为它可以促进章鱼感知的复杂性,以及它如何利用它的半自主的腕足神经系统来处理一系列信号来产生复杂的行为。”

      这些研究人员认为,这项研究可以帮助发现乌贼和墨鱼等其他头足类动物中类似的受体系统。他们希望确定这种系统如何在分子水平上发挥作用,并解答一些相对而言尚未被充分探索的问题,即这些生物如何进化以适应它们所在的环境。

      论文第一作者、Bellono实验室博士后研究员Lena van Giesen说,“对海洋化学触觉行为的了解并不多,有了这个受体家族作为模型系统,我们如今可以研究哪些信号对章鱼很重要,以及它们是如何被编码的。这些关于蛋白进化和信号编码的新见解远远超出了头足类动物的范围。”

      论文共同作者、哈佛大学的Peter B. Kilian说,“它们为了解决环境中的问题而进化出的策略对它们来说是独一无二的,这激发了科学家们和非科学家们的极大兴趣。人们被章鱼和其他头足类动物所吸引,这是因为它们与其他大多数动物有着天壤之别。”

      这些研究人员着手揭示这些化学触觉受体如何能够感知化学物,并检测它们所接触的东西中的信号,就像蜗牛周围的触角那样,以帮助它们做出选择。

      章鱼的腕足是独特而复杂的。章鱼约有三分之二的神经元位于腕足上。鉴于这些腕足的运作部分独立于大脑,因此它的一个腕足被切断,它仍然可以伸手寻找、识别和抓取物品。

      这些研究人员首先确定了吸盘中哪些细胞实际上是做检测的。在分离和克隆出化学触觉受体后,他们将它们插入到青蛙卵和人类细胞系中,以独立地研究它们的功能。在青蛙或人类细胞中没有这样的受体,因此在研究这些受体的功能时,不会受到青蛙或人类细胞的干扰。

      这些研究人员随后将这些细胞暴露于来自章鱼猎物的提取物等分子,以及这些受体已知会作出反应的其他物品。一些测试物品是水溶性的,比如盐、糖、氨基酸;其他的测试物品则不能很好地溶解,通常不被水生动物认为是感兴趣的。令人惊讶的是,只有溶解较差的分子才会激活这些受体。

      这些研究人员随后又回到实验室里的章鱼身上,把这些同样的提取物放在水箱的底部上,看看它们是否也对这些分子有反应。他们发现,这些章鱼受体唯一作出反应的气味剂是一类不溶解的称为萜类分子(terpenoid molecule)的天然化学物。

      Bellono说,“[章鱼]仅对水箱底部上注入这类分子的部分作出高度的反应。”这让这些研究人员相信,他们鉴定出的受体能够识别这种类型的分子,并帮助章鱼区分它接触到的东西。“有了这种半自主的神经系统,它可以迅速做出这样的决定:‘我是收缩并抓住这只螃蟹,还是继续搜索?’”

      虽然这项研究通过这些化学触觉受体为章鱼的这种水生触觉-味觉提供了分子解释,但是这些研究人员指出,鉴于大量未知的天然化合物也可能刺激这些受体来介导复杂的行为,因此还需要开展进一步研究。

      Bellono说,“我们如今正在试图研究这些动物可能检测到的其他天然分子。”(生物谷

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