原創 徐士霞 CellPress細胞科學
生命科學
Life science
作為世界領先的全科學領域學術出版社，細胞出版社特與「中國科學院青年創新促進會」合作開設「青促會述評」專欄，以期增進學術互動，促進國際交流。
第二十九期專欄文章，由南京師範大學生命科學學院教授 中國科學院青年創新促進會特邀評論員 徐士霞，就Cell 中的論文發表述評。
對環境的感知能力是生物適應環境的基礎，生物需要感受並整合周圍環境信息從而完成覓食、求偶以及抵禦捕食者等重要行為。陸生動物通常利用眼睛、鼻子、耳朵和嘴巴等傳統感覺器官捕捉外界環境中分子信息並作出相應的生理行為反應。海洋環境中，由於許多信號分子難溶於水無法在水環境中擴散，海洋生物感知這些信息則需要通過不同形式的以接觸為基礎的化學感知方式來實現，章魚（Octopus）就是一個典型的通過接觸性依賴的化學感知方式實現環境感知的例子。章魚（Octopus）隸屬於軟體動物門、頭足綱、八腕目、章魚科，其神經系統複雜且2/3神經元分布在八條靈活的觸手中。觸手的神經系統包含中樞神經索和分布於吸盤內的神經節，因而章魚可以利用吸盤上的神經節感知並整合信號分子從而控制觸手甚至單個吸盤的自主行為。前人研究發現位於吸盤邊緣的上皮細胞在形態上與其他動物感覺受體細胞相似，這提示吸盤可能是其化學觸覺的感覺器官，然而，這種特殊感知方式下的刺激響應、分子及細胞學機制尚不清楚。
2020年10月29日，發表在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell（《細胞》）上的研究「Molecular Basis of Chemotactile Sensation in Octopus」對這一科學問題進行了回答。研究人員通過聯合組學分析、細胞實驗，化學物質刺激以及行為學實驗等結果進行分析，揭示了章魚適應水環境進化出獨特的化學觸覺的分子基礎。
首先，為了檢測章魚吸盤是否具有與其他感覺器官相似功能的感覺細胞，研究團隊從吸盤的外緣周圍分離出細胞群，鑑定出三種不同形態和功能的細胞（圖1）。一種是機械感受器細胞（Mechanoreceptor cell），其具有短圓形樹突狀末端，對機械刺激敏感，可引起章魚腕的伸出行為，但是對獵物的化學物質（魚類的提取物）不敏感；另一種是化學感受器細胞（Chemoreceptor cells），其具有長而細的樹突末梢，對機械刺激不敏感，但獵物提取物可誘導其典型的內向整流電流；第三種細胞是與上皮細胞形態類似的支持細胞（support cell），對化學和機械刺激均不敏感。章魚吸盤包含不同類型的感覺細胞，是吸盤作為多模態感覺器官的細胞基礎。同時，研究人員進一步分析了化學感受器和機械感受器細胞的電學特性，發現它們能夠傳遞不同的電信號。在注入相同的電流時，化學感受器細胞表現出多頻的電壓峰值強度，而機械感受器細胞的電壓峰值與刺激強度保持一致。兩種類型的感覺細胞與河豚毒素的敏感的電壓門控內向電流類似，但是在非興奮性支持細胞中是不存在的。
▲圖1 章魚觸手獨特的化學和機械感受器細胞
其次，為了進一步確定與感覺相關的分子，該研究對章魚多種組織（包括傳統感覺器官、吸盤和吸盤上皮細胞）的轉錄組數據進行了比較分析。結果表明一個被描述過的機械感覺受體同源物NompC（No mechanoreceptor potential C）在章魚吸盤上皮被顯著富集，而它被認為主要參與吸盤對機械信號轉導過程，不過，作者沒有發現任何已知的化學受體同源物在吸盤上皮中被富集。不過，作者觀察到雙班蛸（Octopus bimaculoides）基因組和吸盤轉錄組數據的富集結果多發生於離子受體（離子通道配體）。這些受體被歸為頭足動物特有的化學觸覺受體（chemotactile receptors，CRs），這些受體介導雙班蛸的觸覺和味覺。同時CRs存在於三種章魚物種且缺乏典型的乙醯膽鹼結合位點，因此，他們被認為是章魚共同起源的一種非典型乙醯膽鹼受體。CRs雖然僅在章魚吸盤感覺上皮中特異表達，但有趣的是，單個CRs在散在的感覺細胞中以組合模式共表達，這一特性有利於加強信號檢測和轉導的多樣性（圖2）。
▲圖2 富集於吸盤上皮中化學觸覺受體（CRs）以及其對獵物化學物質的敏感性呈現組合表達模式
隨後，作者對CRs具體響應機制進行了解析，發現CRs對從獵物和頭足類動物排放的墨汁中提取的天然產物的敏感性不同：獵物提取物誘發CRs的反應，但是墨汁則抑制了異源性CRs的表達。另外，CRs對大多數常見的氣味或味覺化合物都不敏感，但是疏水性類萜卻可以激活反應，且單個CRs可以編碼不同的化學刺激，介導多種信號檢測。特別重要的是，每個感覺細胞都具有多個CR亞單位的組合表達模式，他們可以形成細胞特異性離子通道複合物，從而對激動劑的敏感性和離子滲透特性進行差異調節（圖3）。因此，CRs介導了信號檢測和轉導的廣泛多樣性，這是章魚半自主外周神經系統中獨特的感官編碼方式。
▲圖3 CRs形成的異聚體通道複合物影響對刺激物的檢測和轉導
最後，作者開發了一種新的行為方法檢測章魚複雜的化學信號是如何與機械刺激一起編碼以引起特定的化學觸覺行為的。結果顯示章魚在探索環境時，會使用一些典型的觸覺動作，而這些動作會因接觸不同的萜類激動劑而明顯改變。機械感受器細胞則表現出窄的可調節的瞬時機械感受反應和相位動作電位。CRs提供了對不同刺激響應和轉導機制，可以通過修飾電位頻率以化學依賴的方式對不同的神經信號進行傳導。
綜上，本研究描述了頭足動物特異的化學觸覺受體CRs，通過刺激物、細胞、轉導特性和相關的化學觸覺行為等實驗，定義了這種接觸依賴性的水生化學感覺模式。1）作者發現吸盤含有特殊的化學感覺細胞和機械感應細胞，分別傳遞編碼化學和觸覺信息的特定動作電位模式。機械感受器NompC在機械感覺細胞中顯著富集，在介導瞬時的接觸信號表現出高度保守的特性。化學感覺細胞利用一個以前沒有描述的受體家族——頭足動物特異的CRs，介導接觸依賴性的化學感覺，這類受體在吸盤感覺上皮中高度富集。2）通過CRs對於從獵物和頭足類動物排放的墨汁中提取的天然產物，以及可溶性較差的萜類分子的交叉驗證，作者發現每個感覺細胞都具有多個CR亞單位的組合表達模式，他們可以形成細胞特異性離子通道複合物，從而對激動劑的敏感性和離子滲透特性進行差異調節，同時，CRs介導了信號檢測和轉導的廣泛多樣性，是章魚半自主外周神經系統中獨特的感官編碼方式。3）同時，作者發現章魚在探索環境時，會使用一些典型的觸覺動作，而這些動作會因接觸不同的萜類激動劑而明顯改變。因此，本研究結果顯示，章魚的外周分布神經系統表現出特殊的信號過濾特性，這些特性是由高度特化的感覺受體介導的。本研究為我們理解章魚水中化學觸覺感知奠定了分子基礎，為進一步探討物種的適應性演化機制提供了新思路和方法。
論文摘要
動物根據其生態位表現出廣泛的進化適應。章魚用它們靈活的觸手探索海底，用一種特殊的「觸覺-味覺」系統對獵物產生的化學物質和運動作出感知和行為反應。然而，章魚外周分布的神經系統如何調節相對自主的觸手行為尚不清楚。本研究報導了章魚運用頭足動物特異的化學觸覺受體（chemotactile receptors，CRs）識別難溶解的天然產物，從而定義了一種接觸依賴性的水生化學感覺方式。CRs形成離散的離子通道複合物，可以介導不同刺激物的檢測和特定離子信號的傳導。此外，不同的化學和機械感覺細胞表現出特異的受體表達和電活動，以支持外周信息編碼和複雜的化學觸覺行為。以上結果表明，章魚外周分布的神經系統是信號處理的關鍵部位，並強調了解剖學和分子適應如何協同進化以適應環境。
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述評人簡介
徐士霞
南京師範大學生命科學學院教授
中國科學院青年創新促進會特邀評論員
徐士霞，南京師範大學生命科學學院教授，主要運用進化基因組學和發育學的方法探討動物適應性進化的分子機制，相關成果已在Molecular Biology and Evolution、Nature Communations、Proceedings of the Royal Society B、Genome Biology and Evolution等SCI期刊上發表論文50餘篇。主持/完成國家級項目5項，重點研發計劃子課題1項，省部級項目5項。
Shixia Xu, professor of College of Life Sciences, Nanjing Normal University Nanjing. Research Interests focus on genetic basis of adaptive evolution in mammals using the methods of evolutionary genomics and evo-devo. Related results have been published in the journal of Molecular Biology and Evolution, Nature Communations, Proceedings of the Royal Society B, Genome Biology and Evolution, and etc. She has been researching or completed several projects, including National Natural Science Foundation of China, National Key Programme of Research and Development, Ministry of Science and Technology, as well as Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.
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