專題:Cell封面：避免腐爛食物的神經(jīng)機(jī)制
更新時(shí)間：2012-12-16 瀏覽次數(shù)：2095
| 摘要： geosmin（土臭味素）是一種具有強(qiáng)土腥味的化合物，GEOSMIN是我們非常熟悉的氣味：通常存在于潮濕的土壤中，只能由某些微生物產(chǎn)生和釋放。這刺激將覆蓋所有其他食物的氣味信號，不論之前是如何吸引。因此，GEOSMIN是一個(gè)完整的STOP信號，防止有毒食品進(jìn)入口中，這味道和我們打開冰箱聞到上周被遺忘的晚餐進(jìn)食和產(chǎn)卵的蒼蠅相似。人類的鼻子對這種氣味高度敏感，可以檢測到它的 |
食用腐爛的食物可能是致命的，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致細(xì)菌病原體進(jìn)入消化系統(tǒng)的。及時(shí)檢測食物的腐爛衰敗跡象，從而避免此類食物中毒現(xiàn)象已成為當(dāng)前嗅覺方面的研究要?jiǎng)?wù)。
geosmin（土臭味素）是一種具有強(qiáng)土腥味的化合物，GEOSMIN是我們非常熟悉的氣味：通常存在于潮濕的土壤中，只能由某些微生物產(chǎn)生和釋放。這刺激將覆蓋所有其他食物的氣味信號，不論之前是如何吸引。因此，GEOSMIN是一個(gè)完整的STOP信號，防止有毒食品進(jìn)入口中，這味道和我們打開冰箱聞到上周被遺忘的晚餐進(jìn)食和產(chǎn)卵的蒼蠅相似。人類的鼻子對這種氣味高度敏感，可以檢測到它的濃度盡可能低為0,1 ppb（每十億份）。
現(xiàn)在，來自德國耶拿化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所的生物學(xué)家們*次對果蠅自身及其后代如何避免接觸腐爛食物的相關(guān)神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行了研究，這有利于人類對神經(jīng)中毒機(jī)制的了解。相關(guān)論文以封面的形式發(fā)表在2012年12月7日的Cell雜志上。
2011年春季在德國EHEC出血性大腸桿菌細(xì)菌污染的豆芽事件表明，進(jìn)食之前區(qū)分新鮮食品對于人體健康至關(guān)重要的。食品，無論是肉類或蔬菜，或多或少總是由細(xì)菌和其他微生物，它們的數(shù)量隨不同程度的新鮮和儲(chǔ)存條件的不同而不同。一般情況下，免疫系統(tǒng)可以應(yīng)付在食品中的微生物。因此，如果不太遠(yuǎn)先進(jìn)的食品腐爛，動(dòng)物可以消化的食物不會(huì)造成損害。但是，由病原微生物的濃度過高引起的人類或其他動(dòng)物毒素的產(chǎn)生已成為高危險(xiǎn)了嗎?
在許多情況下，視覺信號足以使我們能夠避免腐爛的食物——誰愿意咬一只已腐爛的橘子呢?然而，一個(gè)更直接的和普遍的信號是，某些由有害微生物和/或它們的活動(dòng)釋放出來的氣味。如果被發(fā)現(xiàn)，這些散發(fā)出氣味的食物就會(huì)被直接丟棄，從而拯救生命的行為。但是這過程中神經(jīng)系統(tǒng)的判斷依據(jù)是什么呢?進(jìn)入大腦的氣味分子與嗅覺受體是如何對動(dòng)物看到的現(xiàn)象的呢?
黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）和相關(guān)的物種是回答這樣的問題的研究對象。這些飛蟲通常以生長在腐爛水果中的酵母菌為食。在這一階段，他們必須區(qū)分“好”與“壞”的微生物，即哪個(gè)階段的水果是健康的。
在本次研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)果蠅對的致病細(xì)菌或真菌的狀況判斷速度非?？?，GEOSMIN存在的條件下的蟲卵沉積并未導(dǎo)致可行的幼蟲。研究者發(fā)現(xiàn)果蠅對GEOSMIN的更敏感。“我們電生理實(shí)驗(yàn)開始，先后分析一萬個(gè)以上的嗅感覺神經(jīng)元”文章*作者M(jìn)arcus Stensmyr說。早在這個(gè)階段，*個(gè)意外的結(jié)果變得很明顯：只有一個(gè)單一的標(biāo)有“ab4B”型神經(jīng)元對GEOSMIN有響應(yīng)。這些神經(jīng)攜帶可與GEOSMIN反應(yīng)*的特異性受體Or56a。
特異性可以建立在單個(gè)神經(jīng)元和氣相色譜儀，其中超過3000的氣味已經(jīng)過測試，在實(shí)驗(yàn)中使用的異位表達(dá)該受體的細(xì)胞培養(yǎng)。在果蠅大腦的光學(xué)成像揭示了另一個(gè)有趣的結(jié)果：從約50個(gè)腎小球，構(gòu)成觸角葉，蒼蠅的嗅覺中樞的，只有一個(gè)，標(biāo)記DA2，被激活GEOSMIN。DA2被發(fā)現(xiàn)在同一地區(qū)的其他腎小球氣味誘發(fā)厭惡的行為。DA2的刺激導(dǎo)致激活的單一類型的一個(gè)特定的投射神經(jīng)元（PN）傳送消息有關(guān)GEOSMIN存在更高的腦區(qū)。PNS以其他方式常常更廣泛的調(diào)整，提供一個(gè)交叉腎小球的嗅覺編碼的模式。這項(xiàng)研究的比爾·漢森認(rèn)為，“在GEOSMIN、Or56a，DA2及PNS中情況不同，在這個(gè)電路中，刺激直接修補(bǔ)通過從天線到的行為，沒有任何彎路。到現(xiàn)在為止，這種模式只在對性信息素的反應(yīng)中被研究，這是*次發(fā)現(xiàn)的涉及攝食行為的神經(jīng)反應(yīng)。
在GEOSMIN刺激下，神經(jīng)系統(tǒng)通過介導(dǎo)的神經(jīng)反應(yīng)，不僅在短短幾分鐘的時(shí)間內(nèi)使果蠅遠(yuǎn)離腐爛的水果，它也覆蓋了所有同時(shí)提供了吸引力的氣味，如醋或水果的香味，這意味著，果蠅體內(nèi)已形成避免GEOSMIN的神經(jīng)機(jī)制，即使是不同的氣味混合的物物質(zhì)，從而將不會(huì)被誘惑而對身體產(chǎn)生不利。這是很重要的，因?yàn)闅馕痘旌衔锏囊?guī)則，在一個(gè)自然的環(huán)境中也不例外。GEOSMIN效應(yīng)是如此強(qiáng)大，它也調(diào)節(jié)幼蟲生長：雌性果蠅可在長滿了普通酵母的基質(zhì)上產(chǎn)卵，但不會(huì)把卵產(chǎn)在產(chǎn)生菌鏈霉菌的高致病性GEOSMIN的基質(zhì)上。在鏈霉菌突變體缺乏在其GEOSMIN產(chǎn)酶，果蠅也會(huì)排卵，然而產(chǎn)生的幼蟲死亡。
原文摘要：
A Conserved Dedicated Olfactory Circuit for Detecting Harmful Microbes in Drosophila
Flies, like all animals, need to find suitable and safe food. Because the principal food source for Drosophila melanogaster is yeast growing on fermenting fruit, flies need to distinguish fruit with safe yeast from yeast covered with toxic microbes. We identify a functionally segregated olfactory circuit in flies that is activated exclusively by geosmin. This microbial odorant constitutes an ecologically relevant stimulus that alerts flies to the presence of harmful microbes. Geosmin activates only a single class of sensory neurons expressing the olfactory receptor Or56a. These neurons target the DA2 glomerulus and connect to projection neurons that respond exclusively to geosmin. Activation of DA2 is sufficient and necessary for aversion, overrides input from other olfactory pathways, and inhibits positive chemotaxis, oviposition, and feeding. The geosmin detection system is a conserved feature in the genus Drosophila that provides flies with a sensitive, specific means of identifying unsuitable feeding and breeding sites.