犬嗅覺系統及其受體研究進展

王春亮+吳衍+熊前+余盼+李強+潘彩霞+楊前勇

摘要：從犬的嗅覺系統形態學特征、嗅覺傳導通路、犬嗅覺系統受體等相關領域的研究進展進行了簡要綜述，并對犬嗅覺系統的科學利用和未來的研究方向進行了探討和展望。

關鍵詞：犬；嗅覺系統；解剖結構；傳導通路；受體；基因

中圖分類號：S829.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-273X（2016）12-0005-04

嗅覺是犬賴以生存的特殊感覺，嗅覺系統的研究已成為當今動物學研究的熱點之一。經過長期的自然進化，犬嗅覺系統為性能最為卓越的化學傳感系統，能夠從復雜的環境中分辨和識別成百上千種只有痕量水平的各種氣體分子。近年來，前人對犬嗅覺系統及其受體等進行了一系列研究，并取得了很大進展，對于犬嗅覺系統受體、基因及功能基因組學等相關領域仍需要深入研究，進一步揭示犬的嗅覺機制，為加快培育高嗅覺靈敏性犬育種工作提供理論指導，同時，也可為以嗅覺研究為基礎的其他交叉學科帶來新的發展契機。

1 犬嗅覺系統形態學特征

1.1 犬嗅覺系統解剖結構及特征

犬嗅覺器官的解剖結構主要包括鼻腔、犁鼻器、鼻甲骨、鼻竇、篩骨、嗅黏膜和嗅球。犬鼻較長，鼻腔較寬大，每次吸入空氣的量很大，鼻道內沒有鼻毛，襯有黏膜，犬鼻的長度暗示著敏感性的成倍增強，進化上犬鼻呈加長趨勢。梨鼻器是位于鼻底和梨骨兩側組織中的特殊嗅覺器官，是一種感覺外激素的化學感受器，呈成對的小盲管狀，常為小泡狀器官。犁鼻器的外側部覆有柱狀纖毛上皮，上皮下含有較大的腺體和一膨脹體，內側為較厚的嗅上皮，其中有雙極嗅細胞及支持細胞。犁鼻器在位置、神經分布、傳入途徑和功能方面，與鼻腔嗅區是不相同的。犬有3個鼻甲骨復雜卷曲，包括上鼻甲、中鼻甲和下鼻甲，起著調節吸入空氣溫度和濕度的作用。腦部橫斷面的研究表明，后半個鼻腔幾乎充滿了篩鼻甲骨，在篩鼻甲骨的黏膜層中擁有大量的嗅覺受體，篩鼻甲能夠使犬吸入更大體積的氣體，并控制著此處鼻竇的開合，并且由此進入鼻竇。鼻竇位于頭骨中，與鼻腔相通，其中內襯著可能具有嗅覺功能的黏液樣細胞，使吸入的空氣有足夠回旋的空間進行加溫和濕潤。犬的篩骨與顱骨結合，因結構極為復雜又被稱為篩骨迷路，其上皮是嗅黏膜的密集地，也是嗅覺功能的發生地，犬的篩骨有篩板和篩孔，嗅神經纖維經篩孔從顱骨穿出。鼻黏膜也被稱作嗅黏膜，被覆于整個鼻腔的內部，由嗅上皮和固有層組成，嗅黏膜含有嗅細胞、支持細胞和基細胞3種細胞。犬嗅球呈卵圓形，位于篩骨的后方，腦的最前部。嗅球的結構層次清晰，有利于信號的整合和傳導，為嗅覺信號傳導的中繼站，屬于嗅覺系統的初級中樞[1，2]。

1.2 犬嗅覺系統分類

犬的嗅覺系統一般分為兩個系統，主嗅覺系統（MOS）由鼻腔中的嗅球和嗅覺上皮組成，犁鼻系統（VNS）由梨鼻器器官組成。盡管兩種嗅覺系統來自異源的進化途徑，但兩者在生物功能上密切相關，有相似的分子、細胞過程及類似的適應生態變化情況。MOS主要是識別環境中的化學氣味。而犁鼻器系統（VNS）對小范圍內特異性的化學感應信號-信息素的識別更加靈敏，被認為是主嗅覺系統的輔助結構。

2 嗅覺傳導通路

嗅覺起始于嗅神經元纖毛上的嗅覺受體與氣味分子（Odorant，嗅質）的相互作用。在氣味感受過程中，疏水性的嗅質首先與嗅質結合蛋白（Odorant bidningporetin，OBP）結合，之后嗅質與嗅質受體（Odorant receptor，ODR）作用，嗅質受體是一種G蛋白偶聯受體（Gprotein-coupled receptors，GPCRs），它能轉導嗅覺信號，在細胞膜外側，嗅質與ODR結合后，內側活化的G 蛋白隨后激活腺苷酸環化酶，使細胞內大量的ATP轉化成cAMP，cAMP是細胞內第二信使，打開離子通道，Na+和Ca2+內流使嗅神經元細胞膜去極化，最終產生動作電位。嗅神經元通過軸突把動作電位傳導到大腦前端的嗅球，嗅覺信號在嗅球中經過加工、修飾和編碼后，通過嗅球的輸出神經元僧帽細胞和叢狀細胞的軸突投射傳導到大腦皮層，在那里嗅覺信號被解碼以分辨不同的氣味，形成對氣味的感受[3]。

3 犬嗅覺系統受體

3.1 犬嗅覺系統受體分類及結構特征

自Buck等[4]發現嗅覺受體基因超家族，迄今為止，研究人員已發現5種與動物嗅覺相關的受體，包括嗅覺受體（Odorant receptors，ORs）、犁鼻器受體（Vomeronasal receptors，VRs）、痕量胺相關受體（Trace amine-associated receptors，TAARs）、甲酰肽受體（formyl peptide receptors，FPRs）、鳥苷酸環化酶（Guanylylcyclase，GC-D）[2，5]。目前研究發現除鳥苷酸環化酶與犬嗅覺系統相關尚未見報道外，其他的4種受體都與犬嗅覺系統相關。這4種受體都屬于G蛋白偶聯受體超家族，各種受體蛋白質分子的氨基酸大小不一，但都具有7個長度為19～26個氨基酸疏水區即7次α-螺旋跨膜蛋白（TM）形成的結構域，總長度約為300～350個氨基酸。氨基酸鏈的N端在膜外側，C端在膜內側。這樣就在細胞膜兩側各形成3個環，即3個胞內環（IC）和3個胞外環（EC）。不同的GPCR跨膜螺旋區的氨基酸比較保守，而C、N末端和回環區的氨基酸差異較大[6]。

3.2 犬嗅覺系統受體組成、表達及功能

3.2.1 OR受體的組成、表達及功能 OR基因家族是第一個被發現的嗅覺受體基因家族，Quignon等[7]研究表明，犬的OR基因根據序列同源性被分為class-I和class-II兩類。class-I基因是最古老的嗅覺受體基因群，其可在水生環境下被水溶性氣味分子所激發，包括5個家族。class-II基因通常是在陸地環境下被揮發性的氣味分子所激發，分為18個家族。犬基因組中有971個嗅覺受體基因，約占犬嗅覺受體基因組的80%。OR基因在進化過程中出現了不同程度的假基因化，即基因中含有一個或多個破壞框架（包括移碼，片段終止密碼，或片段破壞散布重復等）。OR基因較小，基因的長度約1 kb左右，其顯著特點是編碼區沒有內含子，僅在編碼區和5'非翻譯區之間存在一個內含子。研究發現，有34個OR基因亞家族只在家犬中被發現[8]，這些特有的亞家族可能與家犬靈敏的嗅覺有關。

Tacher等[9]2005年首次進行了OR基因的多態性研究，接著Robin等[10]對OR進行了更廣泛的OR基因多態性研究，研究結果表明，幾乎所有的OR基因都在不同程度上具有多態性，有的SNP位點導致了氨基酸突變且具有品種特異性，甚至與犬的嗅認能力密切相關[11]。

OR蛋白質變異在氣味感知的敏感性和特異性方面發揮作用，犬OR基因存在多態性和一些品種特異性變異[8]。因此，推測這些品種特異性變異可能與品種嗅覺的差異有關。然而，迄今為止，由于多數犬的OR配體仍未知，導致OR基因多樣性與氣味感知變異之間的相關性聯系還沒有建立。犬有971個嗅覺受體基因，但它能識別的氣味卻超過了10 000種，表明一個OR可以與多個氣味分子結合，不同的OR組合也能與多種氣味分子結合。這種交叉組合的方式大大增加了OR結合氣味分子的種類，使OR最大程度的發揮作用。由于OR研究方法及高通量檢測的局限性，很難完成單個OR基因表達的精準定位，確定與某一氣味分子綁定蛋白復合物相對應的OR蛋白則更加困難。雖然，前人已對嗅覺受體基因進行了大量的研究，但由于嗅覺基因家族的多樣性以及嗅覺系統的復雜性，對于嗅覺受體基因的研究還不夠全面和成熟，尚需進一步深入研究。

3.2.2 VR受體的組成、表達及功能 犁鼻器受體又稱信息素受體，包括V1R、V2R兩個基因家族。V1R、V2R基因分別發現于1995年[12]和1997年[13]，他們表達在哺乳動物梨鼻器上并參與信息素的檢測。研究表明，V1R檢測揮發性氣味，V2R檢測非揮發性蛋白質配體，但配體激活這兩種受體的性質尚未完全研究清楚。

V1R基因的編碼區沒有內含子，全長約1 000 bp，可編碼300個氨基酸左右的7次跨膜受體；V2R基因編碼區含有多個外顯子，蛋白產物同樣是7次跨膜的G蛋白偶聯受體，長度約為850個氨基酸，其中約有300個氨基酸的跨膜區域，V2R基因家族大約有200個成員。犬的基因組中只有9個具有完整編碼框的V1R潛在功能基因[14，15]，假基因的數目也僅僅是60個，這與犬的犁鼻器器官相對較薄、副嗅球也相對較小相對應。犬的基因組中，僅發現了9～20個V2R假基因，犬擁有幾十個完整的V2R基因，但是它們在體內完全退化。犬通過V1R基因識別外激素的能力可能被發達的主嗅系統所取代，因而發生退化。犬犁鼻器的退化令人驚訝。犁鼻器受體一旦被轉換，運輸，加工，會導致兩性嚙齒動物行為的變化，包括雄性間相互攻擊，性行為和長時間神經內分泌改變[16]。

目前，人們很難解釋犬依賴信息素傳遞信息的某些行為，如發情期母犬如何吸引公犬前來交配、公犬何以借助尿液劃屬領地等[11]。VR基因在犁鼻器的各層神經元細胞中以區域特異性的方式表達。信息素是由一個個體分泌并被同種另一個體感受并識別的化學物質，隨之引發群體內與個體交流和生殖相關的一系列生理和行為變化[10]。另外，與該途徑相關的分子包括非典型的組織相容性復合體（MHCⅠb）分子、β2-球蛋白（β2m）、三磷酸肌醇（IP3）和瞬時受體電位（TRP）家族成員TRPC2等。其中，只有離子通道TRPC2與信息素受體V1R和V2R一樣，不參與其他生理學過程，僅在信息素傳導方面發揮特異性作用[17]。近年來，雖然對于哺乳動物信息素受體的研究及認識有了長足進步，但犁鼻系統在哺乳動物嗅覺功能中所扮演的角色[18]及哺乳動物信息素感知的分子機制尚不完全清楚，仍需進一步研究。

3.2.3 TAAR受體的組成、表達及功能 痕量胺相關受體是由TAAR基因編碼的蛋白，是至關重要的細胞間信號分子[19]。系統發育史研究表明，哺乳動物的祖先擁有9個TAAR基因即TAAR1-9。但在犬體內某些TAAR基因退化為假基因，犬的基因組中有兩個功能基因TAAR4和TAAR5，兩個假基因TAAR1P和TAAR2P，而犬全基因組中卻有大量OR基因，其中822個基因功能，而假基因只有25.3%的比例，原因可能是TAARs與ORs的功能存在重疊，犬可能更趨向于依賴數量較大的ORs，導致TAARs 減少退化。

犬的TAARs表達在散落在嗅覺上皮細胞中的嗅覺神經元的一個子集中，另有研究表明，其也表達在格呂內貝格神經節上[20]，犬的TAAR家族基因保守性和退化成假基因并存的特點與嗅覺受體基因極為相似。目前，哺乳動物TAAR1基因是研究最為廣泛的痕量胺相關受體。由于犬TAAR1基因退化成假基因，致使與TAAR1功能相關的犬行為特點，如易接受訓練、能夠解讀獎懲等研究變得越發有趣[11]。目前，人們只能推測犬具備另外兩個潛在的功能性TAAR基因來補償缺失的TAAR1功能。

3.2.4 FPR受體的組成、表達及功能 甲酰肽受體是哺乳動物獨有的一種氣味受體。Migeotte等[21]2006年首次報道甲酰肽受體表達在免疫系統。參與炎癥和免疫應急反應的甲酰肽受體也能在犁鼻器中表達，參與犁鼻器信號傳導。FPR受體家族共有7個成員，其中5個表達在犁鼻器神經元，另外2個表達在免疫系統[22]，犬基因組包含1～2個FPR基因。因為，甲酰肽受體主要在吞噬細胞表面表達，并能夠與細菌性趨化肽相互作用，因而也將它們稱為化學趨化物受體。甲酰肽受體可能在犬防御微生物感染中起著非常重要的作用。在進化過程中，甲酰肽受體轉錄有趨于穩定的趨勢。犁鼻器FPR基因表達譜非常類似于V1R和V2R的基因表達譜，即有選擇地表達在一個犁鼻器神經元小子集上。

目前，人們在鼠體內發現了犁鼻器特異性甲酰肽受體，但在犬體內并未發現[23]。FPR受體識別特定感覺配體，而這些配體不被V1R和V2R識別。另外，FPR受體與V1R或V2R共同識別特定的配體但他們各自生成專門的傳輸信號，傳輸到不同的大腦區域[8]。在未來，隨著基因組測序覆蓋率的增加和越來越多的基因組被測序，以及直接進行基因組功能分析的實現，為更進一步的探究FPR家族的進化及其功能提供更高效的研究工具。

4 展望

嗅覺對犬是一種極其重要的生理感覺，近年來，前人對犬嗅覺系統受體基因和蛋白的結構、組成、表達部位及嗅覺傳導機理等進行了一系列研究，并取得了很大進展，尤其是各嗅覺相關受體基因家族的發現和研究推動了國際上嗅覺研究的快速發展。但對嗅覺的發生機制尚不清楚，隨著嗅覺系統受體基因、蛋白質及新的化學氣味感受受體的相繼發現與深入研究，人們對犬嗅覺系統的認識與利用將上升到一個新高度。嗅探犬作為操作工具，已被用于軍用和民用等社會的各個領域檢測不同的氣味。犬不同的嗅覺系統存在和表達不同的氣味受體，研究不同用途犬的嗅覺系統受體基因及其多態性，逐一探索化學氣味感受受體的功能及調控，從而尋找嗅覺系統受體基因的多態性與氣味識別之間的聯系，將嗅覺系統受體特異基因結構與功能相關聯，有助于開展犬嗅覺系統功能的研究，以便更深入了解犬嗅覺靈敏的原因，為犬嗅覺的科學利用提供理論依據。而基因組測序將為嗅覺基因多態性的研究，提供更精確和快速的工具。因此，尋找和篩選犬完成各種氣味識別的主要候選基因，以及其下游通路和激活途徑，可以為相關嗅覺功能性障礙等疾病的防治尋找潛在的靶點，并且對加快培育高嗅覺靈敏性的工作犬育種工作具有重要意義。另外，隨著近年來現代仿生科學技術的迅速發展，研制與使用嗅覺仿生生物設備，可為以嗅覺研究為基礎的其他交叉學科帶來新的發展契機，并將成為未來生物科學的熱點和發展趨勢。

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