嗅觉神经元是如何成为气味管理大师的？( 二 )
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研究人员在石蛃（jumping bristletail）身上发现了一种气味受体 。这种无翅昆虫的嗅觉系统更简单、更原始 ， 因此是理想的测试对象 。丨图片来源：Yasunori Koide
是什么机制让它们能够把握如此恰好的方向 ， 并以这种方式演化？用传统的确定蛋白质三维分子结构的方法来研究嗅觉受体 ， 效果并不理想 。在这些方法所需要的条件下 ， 嗅觉受体往往会折叠错误、行为异常或变得难以分辨 。但最近的技术进步 ， 尤其是一种称为冷冻电子显微术（cryo-electron microscopy）的成像技术 ， 使研究者们得以尝试新的方法 。
他们研究了三种不同构形下石蛃嗅觉受体的结构：一种是受体本身 ， 一种是与常见的气味分子丁香酚（eugenol ， 闻起来像丁香）结合 ， 一种是与驱虫剂避蚊胺（DEET）结合 。然后 ， 他们将这些结构进行了比较 ， 细微至单个原子 ， 以了解气味结合是如何打开离子通道的 ， 以及单个受体是如何确认形状与大小都有显著差异的化学物质的 。
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建模区域的冷冻电镜密度 ， 从上至下：丁香酚结合结构 ， 避蚊胺结合结构 ， 蛋白质的结合前结构 。
研究人员发现 ， 尽管作为分子 ， 避蚊胺和丁香酚没有太多共同之处 ， 但它们都与受体的同一位置对接 。该位置是一个深而简易的口袋 ， 内侧排列着许多氨基酸 ， 有利于形成松散的弱相互作用 。丁香酚和避蚊胺利用不同的相互作用在口袋内驻留 。进一步的计算模拟显示 ， 每个分子能以许多不同的方向结合 ， 而且许多其他种类的气味化合物也可以以类似的方式与受体结合 。这不是一对一的锁钥模式 ， 而是一种一对多（one-size-fits-many）的方法 。（见段末示意图）
嗅觉受体“正在对分子进行更全面的识别 ， 而不仅仅是检测任何特定的结构特征 。”这项研究的作者瓦妮莎·鲁塔（Vanessa Ruta）说 ， “这是一个非常与众不同的化学逻辑 。”
当鲁塔和她的团队改变受体口袋时 ， 他们发现即使是单个氨基酸的突变也足以改变其结合特性 。而这又足以影响受体与许多化合物的相互作用 ， 完全重置受体所起作用的对象 。例如 ， 扩大受体口袋 ， 增加了它对避蚊胺（较大分子）的亲和力 ， 而降低了它对丁香酚（较小分子）的亲和力 。这可能是因为丁香酚尺寸较小 ， 无法很好契合较大的受体口袋） 。这样的变化也会对受体更广泛的气味检测“调色板”（odor-detecting palette）产生下游效应 ， 而研究人员并没有确定这些影响 。
该小组的观察可能解释了为什么昆虫的嗅觉受体演化得如此之快 ， 在物种间的差异如此之大 。每一种昆虫可能都演化出了“自己的独特受体 ， 这些受体非常适合其特定的化学生态位 。”
“这告诉我们 ， 除了受体与一堆配体弱相互作用之外 ， 还有更多的事情在发生 。”神经生物学家鲍勃·达塔（Bob Datta）说 。一种建立在单一结合口袋周围的受体 ， 其反应剖面（response profile）可以通过微调来调整 。如果更广泛地改变该受体的化学成分 ， 可能会加快演化的进程 。
该受体的结构也证实了这一观点 。鲁塔和她的同事发现 ， 受体由四个蛋白质亚基组成 ， 松散地结合在通道的中心孔上 ， 就像一朵花的花瓣 。随着受体的多样化和演化 ， 只有中心区域是保守的；而控制其余受体单位的基因序列较少受到限制 。这种结构组织意味着受体可以适应广泛的多样化 。
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