Cell:揭示章魚吸盤上的化學觸覺受體作用機制

2020-11-28 生物谷

2020年11月8日訊/

生物谷

BIOON/---幾個世紀以來，章魚一直吸引著人類的想像力。它們有八個吸盤覆蓋的腕足，它們的外觀本身就很獨特，而它們在覓食時能用這些吸盤來觸摸和品嘗食物，更讓它們與眾不同。

事實上，數十年來，科學家們一直想知道章魚的這些腕足---更具體地說，它們身上的吸盤---是如何發揮作用的，這促使人們對它們的生物力學特性進行了大量的實驗。但是，很少有人研究過在分子水平上發生了什麼。在一項新的研究中，來自美國哈佛大學的研究人員窺見了章魚腕足中的神經系統（它的運作基本上獨立於章魚的中樞大腦）是如何管理這一壯舉的。相關研究結果發表在2020年10月29日的Cell期刊上， 論文標題為「Molecular Basis of Chemotactile Sensation in Octopus」。

圖片來自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.09.008。

這些研究人員在吸盤內的第一層細胞中發現了一個新的傳感蛋白家族，這些傳感蛋白已經適應了對不能很好地溶解在水中的分子作出反應和檢測。這項研究表明這些稱為化學觸覺受體（chemotactile receptor）的傳感蛋白利用這些分子來幫助章魚弄清它所接觸的東西，以及所接觸的物體是否是獵物。

論文通訊作者、哈佛大學分子與

細胞生物學

助理教授Nicholas Bellono說，「我們認為，鑑於這些分子不能很好地溶解，它們可能會在章魚的獵物和[它們觸摸的任何東西]的表面上被發現。因此，當章魚觸摸到螃蟹而不是巖石時，它的腕足知道，『好吧，我正在觸摸螃蟹[這是因為]我知道不僅有觸摸，而且還有這種味道。』」

此外，這些研究人員還發現，這些化學觸覺受體對什麼作出反應以及它們隨後傳遞給細胞和神經系統的信號存在多樣性。

Bellono說，「我們認為這很重要，這是因為它可以促進章魚感知的複雜性，以及它如何利用它的半自主的腕足神經系統來處理一系列信號來產生複雜的行為。」

這些研究人員認為，這項研究可以幫助發現烏賊和墨魚等其他頭足類動物中類似的受體系統。他們希望確定這種系統如何在分子水平上發揮作用，並解答一些相對而言尚未被充分探索的問題，即這些生物如何進化以適應它們所在的環境。

論文第一作者、Bellono實驗室博士後研究員Lena van Giesen說，「對海洋化學觸覺行為的了解並不多，有了這個受體家族作為模型系統，我們如今可以研究哪些信號對章魚很重要，以及它們是如何被編碼的。這些關於蛋白進化和信號編碼的新見解遠遠超出了頭足類動物的範圍。」

論文共同作者、哈佛大學的Peter B. Kilian說，「它們為了解決環境中的問題而進化出的策略對它們來說是獨一無二的，這激發了科學家們和非科學家們的極大興趣。人們被章魚和其他頭足類動物所吸引，這是因為它們與其他大多數動物有著天壤之別。」

這些研究人員著手揭示這些化學觸覺受體如何能夠感知化學物，並檢測它們所接觸的東西中的信號，就像蝸牛周圍的觸角那樣，以幫助它們做出選擇。

章魚的腕足是獨特而複雜的。章魚約有三分之二的神經元位於腕足上。鑑於這些腕足的運作部分獨立於大腦，因此它的一個腕足被切斷，它仍然可以伸手尋找、識別和抓取物品。

這些研究人員首先確定了吸盤中哪些細胞實際上是做檢測的。在分離和克隆出化學觸覺受體後，他們將它們插入到青蛙卵和人類細胞系中，以獨立地研究它們的功能。在青蛙或人類細胞中沒有這樣的受體,因此在研究這些受體的功能時，不會受到青蛙或人類細胞的幹擾。

這些研究人員隨後將這些細胞暴露於來自章魚獵物的提取物等分子，以及這些受體已知會作出反應的其他物品。一些測試物品是水溶性的，比如鹽、糖、胺基酸；其他的測試物品則不能很好地溶解，通常不被水生動物認為是感興趣的。令人驚訝的是，只有溶解較差的分子才會激活這些受體。

這些研究人員隨後又回到實驗室裡的章魚身上，把這些同樣的提取物放在水箱的底部上，看看它們是否也對這些分子有反應。他們發現，這些章魚受體唯一作出反應的氣味劑是一類不溶解的稱為萜類分子（terpenoid molecule）的天然化學物。

Bellono說，「[章魚]僅對水箱底部上注入這類分子的部分作出高度的反應。」這讓這些研究人員相信，他們鑑定出的受體能夠識別這種類型的分子，並幫助章魚區分它接觸到的東西。「有了這種半自主的神經系統，它可以迅速做出這樣的決定：『我是收縮並抓住這隻螃蟹，還是繼續搜索？』」

雖然這項研究通過這些化學觸覺受體為章魚的這種水生觸覺-味覺提供了分子解釋，但是這些研究人員指出，鑑於大量未知的天然化合物也可能刺激這些受體來介導複雜的行為，因此還需要開展進一步研究。

Bellono說，「我們如今正在試圖研究這些動物可能檢測到的其他天然分子。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：1.Lena van Giesen et al. Molecular Basis of Chemotactile Sensation in Octopus. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.09.008.

2.Touch and taste? It's all in the tentacles: Researchers uncover how the sensors in octopus suction cups work
https://phys.org/news/2020-10-octopus-suckers.html

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