動物細胞的多功能細胞器
——鞭毛、纖毛和微絨毛（3）

朱欽士 （美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2017年第8期第7頁）

6 靜纖毛和微絨毛在味覺中的作用

味覺是動物對外來分子結(jié)構(gòu)的認知，其主要目的是辨別食物和毒物。例如甜味預(yù)示著糖類分子，鮮味預(yù)示蛋白質(zhì)和氨基酸，提示動物可以使用，苦味則警告動物這些分子可能有毒應(yīng)該避免。陸生動物還需要水，需要無機鹽，但是又需要避免高濃度的鹽水，所以早期的動物還發(fā)展出了對水、低濃度鹽水和高濃度鹽水的味覺。動物對味道的感覺也是通過位于靜纖毛上的味覺受體實現(xiàn)的。

6.1 線蟲用靜纖毛嘗味道 線蟲（Caenorhabditis elegans）是主要生活在土壤中的簡單多細胞動物，以細菌為食，身體呈線狀，兩頭尖，成蟲有959個體細胞，其中302個是神經(jīng)細胞。就是這樣簡單的動物，也已經(jīng)有味覺，而且是通過靜纖毛實現(xiàn)的。

線蟲在身體的前端和后端各有一對感受外界分子的感受器。位于身體最前端的感受器稱為頭感器（amphid）；位于肛門后方，靠近尾部的感受器稱為尾感器（phasmid）。頭感器有一個由2個支持細胞包圍成的孔，感覺神經(jīng)細胞發(fā)出的靜纖毛通過孔與外界接觸。靜纖毛上有對外界分子的受體，例如受體ODR-10就能夠與聯(lián)乙醯 （diacetyl，2個乙酰基對接的產(chǎn)物，對人有強烈的奶油味）結(jié)合。TYRA-3則是酪胺（tyramine）的受體，這些受體都是G蛋白偶聯(lián)的受體（G protein-coupled receptor，GPCR），在線蟲的靜纖毛上超過1 000種。由于線蟲只有少數(shù)味覺細胞，所以每根靜纖毛上有多種味覺受體，說明線蟲只能簡單地分辨“有害”還是“無害”，而不像哺乳動物那樣，每根靜纖毛只包含1種味覺受體。

線蟲感知低氯化鈉溶液的受體不是GPCR，而是一類叫degenerine（DEG）的受體分子。這類分子是一種鈉離子通道，它們能夠感知低濃度的氯化鈉溶液并且打開通道，讓鈉離子進入細胞，降低膜電位而觸發(fā)神經(jīng)脈沖。不僅是線蟲，其他動物，包括蝸牛、昆蟲、青蛙，甚至是哺乳動物（包括人在內(nèi)），都用這類受體感知氯化鈉，所以是動物的“咸味受體”。在哺乳動物中，這種受體稱為上皮鈉離子通道（epithelial sodium channel，ENaC），二者統(tǒng)稱為DEG/ENaC。

6.2 昆蟲的味覺也依靠靜纖毛 典型的昆蟲味覺感受器是位于外皮上的空心的毛，毛的頂端有一個開口，內(nèi)部有數(shù)個感覺神經(jīng)細胞，通過它們的靜纖毛（這里稱為神經(jīng)纖維）與外界接觸。例如腿部的味覺感受器就有4個感覺神經(jīng)細胞，分別為感受甜味（蔗糖）的S神經(jīng)纖維、感受苦味（例如奎寧和黃連素）和高鹽的L2神經(jīng)纖維、感受低鹽溶液的L1神經(jīng)纖維和感受水的W神經(jīng)纖維。甜味、低鹽溶液和水都能使昆蟲伸出口器，表示昆蟲準(zhǔn)備進食或喝水。反之，苦味和高鹽會使口器縮回，表示昆蟲想回避這些物質(zhì)。

昆蟲的味覺受體名稱以Gr（gustatory receptor）開始，后面以數(shù)字表示不同的受體。例如Gr5a和Gr64a都為感受各種糖類分子所需，共同表達于感知甜味的S神經(jīng)纖維上。對苦味的感覺需要Gr66a和Gr93a，它們共同表達于感覺苦味的L2神經(jīng)纖維上。昆蟲對咸味也是由DEG/ENaC類型的受體感覺的，表達于感受低濃度鹽水的L1神經(jīng)纖維上。除了感受甜、苦、咸等味道，昆蟲還能夠“嘗”到水的“味道”。這是由表達于感知水的W神經(jīng)纖維上的ppk28受體（pickpocket 28）實現(xiàn)的。

6.3 哺乳動物用微絨毛上的受體嘗味道 哺乳動物的味覺功能主要是由口腔中的舌執(zhí)行的。舌表面有感覺味道的結(jié)構(gòu)，稱為味蕾（taste bud），總數(shù)有數(shù)千個，每個味蕾含有50~100個味覺細胞，聚集成球狀，埋于舌的上皮細胞中。每個味覺細胞在味蕾開口處發(fā)出微絨毛，上面有味道感受器。溶解于唾液的外來味覺分子和這些微絨毛上的受體分子結(jié)合，觸發(fā)神經(jīng)脈沖，所以哺乳動物的味覺不用靜纖毛，而是用微絨毛，這也說明靜纖毛和微絨毛在接收外界信息上的功能可以互換。

動物接收甜味和鮮味的受體屬于GPCR中的T1R家族（T表示 taste，R表示 receptor，1是受體的類型）。這個家族只有3個成員，T1R1、T1R2、T1R3。受體T1R2和T1R3一起，形成混合型受體，就是甜味受體。能夠同時結(jié)合于T1R2和T1R3受體的分子就被感知為甜味。受體T1R1和T1R3一起，形成混合受體，就是鮮味受體，能夠同時結(jié)合于T1R1和T1R3受體上的分子就被感覺為鮮味。哺乳動物感受苦味的受體也是G蛋白偶聯(lián)的受體GPCR，屬于里面的T2R家族。T2R家族有約30個成員，以結(jié)合不同類型的苦味物質(zhì)。哺乳動物對酸味（pH降低）的感覺是由TRP類型的受體（TRPP3）感知的，在pH值降低到5.0左右時被激活，從而在神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生酸的感覺。感受咸味的受體則是上文提及的DEG/ENaC。

7 靜纖毛和微絨毛在嗅覺中的作用

嗅覺探測的主要是存在于空氣中的分子，但是這些分子也必須先溶解于水，才能與受體分子結(jié)合，產(chǎn)生嗅覺信號。從這個意義上講，嗅覺與味覺并無根本的區(qū)別，嗅覺受體也很容易從味覺受體轉(zhuǎn)變而來。動物使用的嗅覺受體和味覺受體也非常相似，也使用靜纖毛或微絨毛作為感受氣味的結(jié)構(gòu)。

7.1 昆蟲用靜纖毛感受氣味 昆蟲（例如果蠅）的嗅覺分子受體（odorant receptor，OR）是表達在觸角（antennae）和下顎須（maxillary palp，口器旁邊的一對觸須）上的。它們上面長有毛形感器（sensillum），即突出表皮的毛狀物。毛形感器有多種，其中的錐狀感受器（basiconic sensillum）表達嗅覺受體。錐狀感受器突出于表皮之外，內(nèi)有淋巴液，感覺神經(jīng)細胞發(fā)出的靜纖毛就浸泡在淋巴液中，上面有嗅覺受體。錐狀感受器的外皮上有許多小孔，空氣中的味覺分子經(jīng)過這些小孔進入感受器，溶解在淋巴液中，再被轉(zhuǎn)運至纖毛的嗅覺感受器上，從而傳遞嗅覺信息。

昆蟲的嗅覺受體（odorant receptor，OR）和昆蟲的味覺受體（gustatory receptor，Gr）一樣，也含有7個跨膜區(qū)段，它們的羧基端的氨基酸序列有相同之處，這說明OR和Gr有共同的祖先。

7.2 脊椎動物用靜纖毛或微絨毛作為嗅覺感受器 哺乳動物，包括魚類、兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類的動物，都用鼻腔內(nèi)的嗅覺細胞探測各種分子的味道。

魚類在水中生活，鼻腔不是用于呼吸，而是用于嗅覺。水從鼻腔前面的小孔進入，從鼻腔后方的小孔流出，鼻腔內(nèi)的嗅覺細胞就可以探測水中一些分子的“氣味”，雖然這些分子不是存在于空氣中，而是溶在水中的。魚類也有味蕾，但是不在鼻腔內(nèi)，而是在唇、鰓、口腔和咽喉中，所用的受體也與鼻腔中的不同，所以魚類的嗅覺和味覺是不同的感覺，雖然引起嗅覺和味覺的分子都是溶在水里的。青蛙是兩棲動物，有用于在空氣中呼吸的肺，鼻腔中不同的腔室有不同的嗅覺受體。中腔（middle cavity）總是充滿水，用于在水中的嗅覺，其嗅覺受體類似魚的嗅覺受體；主腔（primary cavity）內(nèi)總是充滿空氣，用于在空氣中呼吸，其嗅覺受體也與哺乳動物的嗅覺受體類似。從爬行動物開始，動物多在陸上生活，用肺呼吸，鼻腔中的嗅球（olfactory bulb）就是嗅覺神經(jīng)細胞所在的部位。

對各種脊椎動物嗅覺細胞的研究表明，它們既可以用靜纖毛，也可以用微絨毛作為嗅覺受體的所在地，例如鯊魚、鰩魚（ray）、銀鮫（ratfish）只用微絨毛，八目鰻（lamprey）、蛇、青蛙、烏龜只用靜纖毛，七鰓鰻（hagfish）、硬骨魚類、蠑螈 2種都用，鳥類的同一嗅覺細胞上靜纖毛和微絨毛都有。這些例子再次說明，細胞用于接收信號的結(jié)構(gòu)只是突出于細胞的線狀物，無論它是靜纖毛還是微絨毛。

以此類推，如果靜纖毛和微絨毛上有能夠感知光線的受體，它們就可以成為接收光線信息的結(jié)構(gòu)，在動物的視覺中發(fā)揮作用，實際情形也是如此。

8 靜纖毛和微絨毛在視覺中的作用

視覺接收光線所攜帶的信息，而動物接收光信息的分子是視黃醛（retinal）。視黃醛分子中有一根由2個異戊二烯單位組成的鏈，里面所有的雙鍵都是共軛的。在沒有光照時，這根鏈處于“拐彎”的狀態(tài)，即其中1個雙鍵是“反式”的。光照使“彎棍”變?yōu)椤爸惫鳌保慈词浇Y(jié)構(gòu)。視黃醛結(jié)合在一個稱為視蛋白（opsin）的分子上，共同組成視紫質(zhì)（rhodopsin）。視黃醛分子的形狀變化會帶動視蛋白分子的形狀變化，而視蛋白又是G蛋白偶聯(lián)的受體，在形狀變化時可以活化G蛋白，將信息傳遞下去。

由于可見光的能量密度較低，若要感光細胞發(fā)出神經(jīng)脈沖，需要大量的視紫質(zhì)分子，這就需要大面積的細胞膜容納這些視紫質(zhì)分子。從理論上講，微絨毛擁有巨大的表面積,自然適合用于這個目的，而每個細胞只擁有1根靜纖毛，要擴大靜纖毛的表面積，可以讓靜纖毛的結(jié)構(gòu)擴展，橫向長出許多片狀結(jié)構(gòu),這樣1根靜纖毛也可以擁有巨大的表面積。

這2種方法還真的都被動物采用了。昆蟲復(fù)眼中的感光細胞使用微絨毛，人眼視網(wǎng)膜上的視桿細胞和視錐細胞則使用靜纖毛，但是人眼視網(wǎng)膜中的感光節(jié)細胞（與視力無關(guān)，接收的光信號用于調(diào)整生物鐘）又使用微絨毛。在低等動物中，水母幼蟲眼睛使用微絨毛,而水母成蟲眼睛使用的卻是靜纖毛。

9 靜纖毛在動物發(fā)育過程中的作用

要從由單細胞構(gòu)成的受精卵這一個細胞發(fā)育成為有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動物，細胞必須接收外部指令，靜纖毛就是細胞接收信息的受體蛋白最佳的工作場所。Hedgehog（刺猬蛋白，hh）信息通路，特別是其中的 Sonic hedgehog（Shh）信息通路、Notch信息通路，以及Wnt信息通路在胚胎發(fā)育和組織器官形成上發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些信息通路的起始蛋白都位于靜纖毛上，例如刺猬蛋白信息通路中起始階段的Smoothened和Patched就位于靜纖毛上。血小板衍生生長因子受體α（platelet-derived growth factor receptor α，PDGFRa）位于靜纖毛上，使細胞具有極性的Par3蛋白也位于靜纖毛上。靜纖毛缺失的小鼠在胚胎發(fā)育階段就會死亡，這說明靜纖毛在動物發(fā)育中的重要作用。

胚胎發(fā)育需要許多細胞準(zhǔn)確無誤地移動到它們最終的位置上，而靜纖毛就是接收外部信息，決定細胞移動方向的結(jié)構(gòu)，雖然靜纖毛的位置并不在移動細胞的最前方，但靜纖毛的方向也指向細胞移動的方向。創(chuàng)傷修復(fù)需要成纖維細胞（fibroblast）移向組織損傷處，細胞上面的靜纖毛也指向傷口，靜纖毛受損的成纖維細胞就不再對外界信號起反應(yīng)，不能向傷口移動。在人的免疫系統(tǒng)中，嗜中性細胞接收感染處發(fā)出的化學(xué)信號，例如白介素-8（IL-8），干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ），并向感染處移動。如果靜纖毛功能不正常，嗜中性細胞也不能對這些化學(xué)信號起反應(yīng)。

10 纖毛病

由于纖毛，包括動纖毛和靜纖毛，在動物發(fā)育和各種生理功能中的重要作用，纖毛功能異常會引起一系列癥狀，統(tǒng)稱為纖毛病（ciliopathy）。由于不同的基因缺陷所影響纖毛功能的情形不同，纖毛病也有許多種，其中最著名的是巴德-畢德氏癥候群（Bardet-Biodl Syndrome，BBS），其癥狀包括嗅覺喪失、聽覺喪失、視網(wǎng)膜退化、智力障礙、多囊腎、肥胖、多指等。其他纖毛病還包括：

Jeune asphyxiating thoracic syndrome （JATD）、Orofaciodigitalsyndrome （OFD）、Nephronophthisis（NPHP）、Meckel Syndrome （MKS）、 Senior-Lohen Syndrome （SNLS）、Sensenbrenne-Joubent Syndrome（JBTS）、Alstrom Syndrome （ALSM）、Usher Syndrome（USH）、Laber Congenited Amaurosis （LCA）、Shortrib polydactyly syndrome （SRPS）、Ellis van Creveld Syndrome（EVC）、Kartageners Syndrome（KS）。

目前，對鞭毛、纖毛和微絨毛功能的研究還處在初期階段，以上介紹的也只是其中的部分例子，許多問題還沒有答案，但是從已經(jīng)獲得的研究結(jié)果來看，從領(lǐng)鞭毛蟲繼承下來的鞭毛和微絨毛，以及由鞭毛演變成的纖毛，包括動纖毛和靜纖毛，在動物身上發(fā)揮的作用遠超出人們的想象。就在你看這篇文章的時候，眼睛內(nèi)的靜纖毛就在不停地工作，身體各處的動纖毛、靜纖毛和微絨毛也在發(fā)揮各自的作用，從而使人們得以正常生活和工作。所以應(yīng)該像對待細胞的其他細胞器一樣，對身體內(nèi)的鞭毛、纖毛和微絨毛給以足夠的重視。

（完）