犬嗅觉系统及其受体研究进展

    王春亮+吴衍+熊前+余盼+李强+潘彩霞+杨前勇

    摘要：从犬的嗅觉系统形态学特征、嗅觉传导通路、犬嗅觉系统受体等相关领域的研究进展进行了简要综述，并对犬嗅觉系统的科学利用和未来的研究方向进行了探讨和展望。

    关键词：犬；嗅觉系统；解剖结构；传导通路；受体；基因

    中图分类号：S829.2 文献标识码：A 文章编号：1007-273X（2016）12-0005-04

    嗅觉是犬赖以生存的特殊感觉，嗅觉系统的研究已成为当今动物学研究的热点之一。经过长期的自然进化，犬嗅觉系统为性能最为卓越的化学传感系统，能够从复杂的环境中分辨和识别成百上千种只有痕量水平的各种气体分子。近年来，前人对犬嗅觉系统及其受体等进行了一系列研究，并取得了很大进展，对于犬嗅觉系统受体、基因及功能基因组学等相关领域仍需要深入研究，进一步揭示犬的嗅觉机制，为加快培育高嗅觉灵敏性犬育种工作提供理论指导，同时，也可为以嗅觉研究为基础的其他交叉学科带来新的发展契机。

    1 犬嗅觉系统形态学特征

    1.1 犬嗅觉系统解剖结构及特征

    犬嗅觉器官的解剖结构主要包括鼻腔、犁鼻器、鼻甲骨、鼻窦、筛骨、嗅黏膜和嗅球。犬鼻较长，鼻腔较宽大，每次吸入空气的量很大，鼻道内没有鼻毛，衬有黏膜，犬鼻的长度暗示着敏感性的成倍增强，进化上犬鼻呈加长趋势。梨鼻器是位于鼻底和梨骨两侧组织中的特殊嗅觉器官，是一种感觉外激素的化学感受器，呈成对的小盲管状，常为小泡状器官。犁鼻器的外侧部覆有柱状纤毛上皮，上皮下含有较大的腺体和一膨胀体，内侧为较厚的嗅上皮，其中有双极嗅细胞及支持细胞。犁鼻器在位置、神经分布、传入途径和功能方面，与鼻腔嗅区是不相同的。犬有3个鼻甲骨复杂卷曲，包括上鼻甲、中鼻甲和下鼻甲，起着调节吸入空气温度和湿度的作用。脑部横断面的研究表明，后半个鼻腔几乎充满了筛鼻甲骨，在筛鼻甲骨的黏膜层中拥有大量的嗅觉受体，筛鼻甲能够使犬吸入更大体积的气体，并控制着此处鼻窦的开合，并且由此进入鼻窦。鼻窦位于头骨中，与鼻腔相通，其中内衬着可能具有嗅觉功能的黏液样细胞，使吸入的空气有足够回旋的空间进行加温和湿润。犬的筛骨与颅骨结合，因结构极为复杂又被称为筛骨迷路，其上皮是嗅黏膜的密集地，也是嗅觉功能的发生地，犬的筛骨有筛板和筛孔，嗅神经纤维经筛孔从颅骨穿出。鼻黏膜也被称作嗅黏膜，被覆于整个鼻腔的内部，由嗅上皮和固有层组成，嗅黏膜含有嗅细胞、支持细胞和基细胞3种细胞。犬嗅球呈卵圆形，位于筛骨的后方，脑的最前部。嗅球的结构层次清晰，有利于信号的整合和传导，为嗅觉信号传导的中继站，属于嗅觉系统的初级中枢[1，2]。

    1.2 犬嗅觉系统分类

    犬的嗅觉系统一般分为两个系统，主嗅觉系统（MOS）由鼻腔中的嗅球和嗅觉上皮组成，犁鼻系统（VNS）由梨鼻器器官组成。尽管两种嗅觉系统来自异源的进化途径，但两者在生物功能上密切相关，有相似的分子、细胞过程及类似的适应生态变化情况。MOS主要是识别环境中的化学气味。而犁鼻器系统（VNS）对小范围内特异性的化学感应信号-信息素的识别更加灵敏，被认为是主嗅觉系统的辅助结构。

    2 嗅觉传导通路

    嗅觉起始于嗅神经元纤毛上的嗅觉受体与气味分子（Odorant，嗅质）的相互作用。在气味感受过程中，疏水性的嗅质首先与嗅质结合蛋白（Odorant bidningporetin，OBP）结合，之后嗅质与嗅质受体（Odorant receptor，ODR）作用，嗅质受体是一种G蛋白偶联受体（Gprotein-coupled receptors，GPCRs），它能转导嗅觉信号，在细胞膜外侧，嗅质与ODR结合后，内侧活化的G 蛋白随后激活腺苷酸环化酶，使细胞内大量的ATP转化成cAMP，cAMP是细胞内第二信使，打开离子通道，Na+和Ca2+内流使嗅神经元细胞膜去极化，最终产生动作电位。嗅神经元通过轴突把动作电位传导到大脑前端的嗅球，嗅觉信号在嗅球中经过加工、修饰和编码后，通过嗅球的输出神经元僧帽细胞和丛状细胞的轴突投射传导到大脑皮层，在那里嗅觉信号被解码以分辨不同的气味，形成对气味的感受[3]。

    3 犬嗅觉系统受体

    3.1 犬嗅觉系统受体分类及结构特征

    自Buck等[4]发现嗅觉受体基因超家族，迄今为止，研究人员已发现5种与动物嗅觉相关的受体，包括嗅觉受体（Odorant receptors，ORs）、犁鼻器受体（Vomeronasal receptors，VRs）、痕量胺相关受体（Trace amine-associated receptors，TAARs）、甲酰肽受体（formyl peptide receptors，FPRs）、鸟苷酸环化酶（Guanylylcyclase，GC-D）[2，5]。目前研究发现除鸟苷酸环化酶与犬嗅觉系统相关尚未见报道外，其他的4种受体都与犬嗅觉系统相关。这4种受体都属于G蛋白偶联受体超家族，各种受体蛋白质分子的氨基酸大小不一，但都具有7个长度为19～26个氨基酸疏水区即7次α-螺旋跨膜蛋白（TM）形成的结构域，总长度约为300～350个氨基酸。氨基酸链的N端在膜外侧，C端在膜内侧。这样就在细胞膜两侧各形成3个环，即3个胞内环（IC）和3个胞外环（EC）。不同的GPCR跨膜螺旋区的氨基酸比较保守，而C、N末端和回环区的氨基酸差异较大[6]。

    3.2 犬嗅觉系统受体组成、表达及功能

    3.2.1 OR受体的组成、表达及功能 OR基因家族是第一个被发现的嗅觉受体基因家族，Quignon等[7]研究表明，犬的OR基因根據序列同源性被分为class-I和class-II两类。class-I基因是最古老的嗅觉受体基因群，其可在水生环境下被水溶性气味分子所激发，包括5个家族。class-II基因通常是在陆地环境下被挥发性的气味分子所激发，分为18个家族。犬基因组中有971个嗅觉受体基因，约占犬嗅觉受体基因组的80%。OR基因在进化过程中出现了不同程度的假基因化，即基因中含有一个或多个破坏框架（包括移码，片段终止密码，或片段破坏散布重复等）。OR基因较小，基因的长度约1 kb左右，其显著特点是编码区没有内含子，仅在编码区和5'非翻译区之间存在一个内含子。研究发现，有34个OR基因亚家族只在家犬中被发现[8]，这些特有的亚家族可能与家犬灵敏的嗅觉有关。

    Tacher等[9]2005年首次进行了OR基因的多态性研究，接着Robin等[10]对OR进行了更广泛的OR基因多态性研究，研究结果表明，几乎所有的OR基因都在不同程度上具有多态性，有的SNP位点导致了氨基酸突变且具有品种特异性，甚至与犬的嗅认能力密切相关[11]。

    OR蛋白质变异在气味感知的敏感性和特异性方面发挥作用，犬OR基因存在多态性和一些品种特异性变异[8]。因此，推测这些品种特异性变异可能与品种嗅觉的差异有关。然而，迄今为止，由于多数犬的OR配体仍未知，导致OR基因多样性与气味感知变异之间的相关性联系还没有建立。犬有971个嗅觉受体基因，但它能识别的气味却超过了10 000种，表明一个OR可以与多个气味分子结合，不同的OR组合也能与多种气味分子结合。这种交叉组合的方式大大增加了OR结合气味分子的种类，使OR最大程度的发挥作用。由于OR研究方法及高通量检测的局限性，很难完成单个OR基因表达的精准定位，确定与某一气味分子绑定蛋白复合物相对应的OR蛋白则更加困难。虽然，前人已对嗅觉受体基因进行了大量的研究，但由于嗅觉基因家族的多样性以及嗅觉系统的复杂性，对于嗅觉受体基因的研究还不够全面和成熟，尚需进一步深入研究。

    3.2.2 VR受体的组成、表达及功能 犁鼻器受体又称信息素受体，包括V1R、V2R两个基因家族。V1R、V2R基因分别发现于1995年[12]和1997年[13]，他们表达在哺乳动物梨鼻器上并参与信息素的检测。研究表明，V1R检测挥发性气味，V2R检测非挥发性蛋白质配体，但配体激活这两种受体的性质尚未完全研究清楚。

    V1R基因的编码区没有内含子，全长约1 000 bp，可编码300个氨基酸左右的7次跨膜受体；V2R基因编码区含有多个外显子，蛋白产物同样是7次跨膜的G蛋白偶联受体，长度约为850个氨基酸，其中约有300个氨基酸的跨膜区域，V2R基因家族大约有200个成员。犬的基因组中只有9个具有完整编码框的V1R潜在功能基因[14，15]，假基因的数目也仅仅是60个，这与犬的犁鼻器器官相对较薄、副嗅球也相对较小相对应。犬的基因组中，仅发现了9～20个V2R假基因，犬拥有几十个完整的V2R基因，但是它们在体内完全退化。犬通过V1R基因识别外激素的能力可能被发达的主嗅系统所取代，因而发生退化。犬犁鼻器的退化令人惊讶。犁鼻器受体一旦被转换，运输，加工，会导致两性啮齿动物行为的变化，包括雄性间相互攻击，性行为和长时间神经内分泌改变[16]。

    目前，人们很难解释犬依赖信息素传递信息的某些行为，如发情期母犬如何吸引公犬前来交配、公犬何以借助尿液划属领地等[11]。VR基因在犁鼻器的各层神经元细胞中以区域特异性的方式表达。信息素是由一个个体分泌并被同种另一个体感受并识别的化学物质，随之引发群体内与个体交流和生殖相关的一系列生理和行为变化[10]。另外，与该途径相关的分子包括非典型的组织相容性复合体（MHCⅠb）分子、β2-球蛋白（β2m）、三磷酸肌醇（IP3）和瞬时受体电位（TRP）家族成员TRPC2等。其中，只有離子通道TRPC2与信息素受体V1R和V2R一样，不参与其他生理学过程，仅在信息素传导方面发挥特异性作用[17]。近年来，虽然对于哺乳动物信息素受体的研究及认识有了长足进步，但犁鼻系统在哺乳动物嗅觉功能中所扮演的角色[18]及哺乳动物信息素感知的分子机制尚不完全清楚，仍需进一步研究。

    3.2.3 TAAR受体的组成、表达及功能 痕量胺相关受体是由TAAR基因编码的蛋白，是至关重要的细胞间信号分子[19]。系统发育史研究表明，哺乳动物的祖先拥有9个TAAR基因即TAAR1-9。但在犬体内某些TAAR基因退化为假基因，犬的基因组中有两个功能基因TAAR4和TAAR5，两个假基因TAAR1P和TAAR2P，而犬全基因组中却有大量OR基因，其中822个基因功能，而假基因只有25.3%的比例，原因可能是TAARs与ORs的功能存在重叠，犬可能更趋向于依赖数量较大的ORs，导致TAARs 减少退化。

    犬的TAARs表达在散落在嗅觉上皮细胞中的嗅觉神经元的一个子集中，另有研究表明，其也表达在格吕内贝格神经节上[20]，犬的TAAR家族基因保守性和退化成假基因并存的特点与嗅觉受体基因极为相似。目前，哺乳动物TAAR1基因是研究最为广泛的痕量胺相关受体。由于犬TAAR1基因退化成假基因，致使与TAAR1功能相关的犬行为特点，如易接受训练、能够解读奖惩等研究变得越发有趣[11]。目前，人们只能推测犬具备另外两个潜在的功能性TAAR基因来补偿缺失的TAAR1功能。

    3.2.4 FPR受体的组成、表达及功能 甲酰肽受体是哺乳动物独有的一种气味受体。Migeotte等[21]2006年首次报道甲酰肽受体表达在免疫系统。参与炎症和免疫应急反应的甲酰肽受体也能在犁鼻器中表达，参与犁鼻器信号传导。FPR受体家族共有7个成员，其中5个表达在犁鼻器神经元，另外2个表达在免疫系统[22]，犬基因组包含1～2个FPR基因。因为，甲酰肽受体主要在吞噬细胞表面表达，并能够与细菌性趋化肽相互作用，因而也将它们称为化学趋化物受体。甲酰肽受体可能在犬防御微生物感染中起着非常重要的作用。在进化过程中，甲酰肽受体转录有趋于稳定的趋势。犁鼻器FPR基因表达谱非常类似于V1R和V2R的基因表达谱，即有选择地表达在一个犁鼻器神经元小子集上。

    目前，人们在鼠体内发现了犁鼻器特异性甲酰肽受体，但在犬体内并未发现[23]。FPR受体识别特定感觉配体，而这些配体不被V1R和V2R识别。另外，FPR受体与V1R或V2R共同识别特定的配体但他们各自生成专门的传输信号，传输到不同的大脑区域[8]。在未来，随着基因组测序覆盖率的增加和越来越多的基因组被测序，以及直接进行基因组功能分析的实现，为更进一步的探究FPR家族的进化及其功能提供更高效的研究工具。

    4 展望

    嗅觉对犬是一种极其重要的生理感觉，近年来，前人对犬嗅觉系统受体基因和蛋白的结构、组成、表达部位及嗅觉传导机理等进行了一系列研究，并取得了很大进展，尤其是各嗅觉相关受体基因家族的发现和研究推动了国际上嗅觉研究的快速发展。但对嗅觉的发生机制尚不清楚，随着嗅觉系统受体基因、蛋白质及新的化学气味感受受体的相继发现与深入研究，人们对犬嗅觉系统的认识与利用将上升到一个新高度。嗅探犬作为操作工具，已被用于军用和民用等社会的各个领域检测不同的气味。犬不同的嗅觉系统存在和表达不同的气味受体，研究不同用途犬的嗅觉系统受体基因及其多态性，逐一探索化学气味感受受体的功能及调控，从而寻找嗅觉系统受体基因的多态性与气味识别之间的联系，将嗅觉系统受体特异基因结构与功能相关联，有助于开展犬嗅觉系统功能的研究，以便更深入了解犬嗅觉灵敏的原因，为犬嗅觉的科学利用提供理论依据。而基因组测序将为嗅觉基因多态性的研究，提供更精确和快速的工具。因此，寻找和筛选犬完成各种气味识别的主要候选基因，以及其下游通路和激活途径，可以为相关嗅觉功能性障碍等疾病的防治寻找潜在的靶点，并且对加快培育高嗅觉灵敏性的工作犬育种工作具有重要意义。另外，随着近年来现代仿生科学技术的迅速发展，研制与使用嗅觉仿生生物设备，可为以嗅觉研究为基础的其他交叉学科带来新的发展契机，并将成为未来生物科学的热点和发展趋势。

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