昆虫感受气味物质的分子机制研究进展

农业生物技术学报Journal of Agricultural Biotechnology 2004,12(6):720~726·综述·昆虫感受气味物质的分子机制研究进展*王桂荣吴孔明**郭予元(中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室，北京100094)摘要：昆虫的嗅觉识别过程是非常复杂的，多种蛋白参与了这一过程，这些蛋白包括气味结合蛋白、气味降解酶以及气味受体等。

综述了气味结合蛋白、气味降解酶、气味受体以及化学电信号的转化和传导等方面的最新研究进展。

关键词：嗅觉系统；气味结合蛋白；气味降解酶；气味受体；化学电信号传导Research Advance on Molecular Mechanism of Odors Perception in InsectsWANG Gui-Rong WU Kong-Ming**GUO Yu-Yuan(State Key Laboratory of Plant Disease and Insect Pests,Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100094,China)The olfactory behavior of insects is very complicated and involves many kinds of proteins,namely,odorant-bindingproteins,odorant degrading enzymes and odor receptors etc..Some recent advances on them and chemo-electrical signal transduction arereviewed.olfactory system;odorant-binding protein;odorant degrading enzyme;odor receptor;chemo-electrical signaltransduction*基金项目：国家自然科学基金重点项目(No.30330410)和国家重点基础研究发展规划(973)项目(No.G2000016208)资助。

王桂荣:男,1972年出生,博士。

E-mail:<wgrsun@>.**通讯作者。

Author for correspondence.E-mail:<wkm@>.收稿日期：2003-11-05接受日期：2004-02-22在长期的进化过程中，昆虫嗅觉系统已经成为一个高度专一、极其灵敏的化学监测器。

昆虫通过这种复杂的嗅觉系统鉴定和识别环境中的特异性化学气味分子，并将这些化学信号转化为电信号，从而启动了昆虫的专一行为反应，如寻找食物和配偶、搜寻产卵及生殖场所、避免不利环境的伤害等[1~3]。

探索昆虫对外界气味分子的识别机制，不仅有利于阐明昆虫行为反应的本质原因，而且为研究无脊椎和脊椎动物的嗅觉行为提供了理想的模型。

昆虫对外界气味分子的识别是一个非常复杂的过程，研究表明，位于昆虫触角感器中的多种蛋白参与了这一过程，这些蛋白包括可溶性气味结合蛋白[4]、气味降解酶[5,6]以及与神经膜紧密相连的气味受体等[7,8]。

本文综述了气味结合蛋白、气味降解酶、气味受体以及化学电信号的转化和传导等方面的最新研究进展。

1气味结合蛋白在参与气味分子识别的蛋白或酶类中，气味结合蛋白最为丰富，它位于触角感器的淋巴液中，直接与外界环境中成千上万的气味分子接触。

气味结合蛋白识别和结合外界气味分子是昆虫感受外界气味分子的第一步生化反应[9]。

昆虫气味结合蛋白是一类分子量小、高度水溶性的酸性蛋白，在许多昆虫中已经鉴定存。

昆虫气味结合蛋白主要分为两类：性外激素结合蛋白(PBP)和普通气味结合蛋白(GOBP)。

PBP 存在于专一性识别性外激素的感受器中，而GOBP 存在于对普通气味分子发生反应的感受器中。

在有些种类的昆虫中，已经发现了多种不同的GOBP 和一种或几种PBP 。

序列分析表明，所有的气味结合蛋白中都具有6个保守的半胱氨酸，通过3个二硫桥相连在一起[10~12]。

我们对昆虫(主要是鳞翅目)气味结合蛋白的生化特性、分子结构、分布及功能等进行过综述[13]。

近几年，这方面的研究从鳞翅目和模式昆虫果蝇的研究扩展到了许多其它目的昆虫第6期王桂荣等:昆虫感受气味物质的分子机制研究进展(如双翅目、膜翅目和竹节虫目等)，从触角感器中分离得到了一些新的气味结合蛋白或类似蛋白(又称化学感应蛋白，chemoreception proteins)。

Bohbot等[14]从成虫触角中鉴定了两个新的气味结合蛋白，它们的N端氨基酸序列与以前报道的蛾子的性外激素结合蛋白和普通气味结合蛋白没有同源性，但是，其中一个蛋白Mbra-AOBP2的N末端序列与在其它昆虫触角感受器中发现的一些蛋白具有很高的同源性(60%~ 73％)，与果蝇的射精管球专一性蛋白EBSP-Ⅲ同源性达80％，这两类蛋白在体外都能结合11-十八碳烯酸乙酯(vaccenyl acetate)。

目前，已经在双翅目、膜翅目、鳞翅目和竹节虫目等昆虫中找到了这类新的化学感应蛋白。

这类蛋白虽然与以前报道的气味结合蛋白没有同源性，并且氨基酸序列中只有4个保守的半胱氨酸(以前报道的气味结合蛋白氨基酸序列中有6个保守的半胱氨酸)，但是这类蛋白也位于昆虫感受器中，可能参与气味分子结合。

目前，在多种昆虫的触角感受器中发现了这类蛋白家族[15~17]。

Picimbon和Leal[18]从3种蜚蠊中分离得到了多种触角专一性的蛋白，根据N端氨基酸序列的一致性，蜚蠊触角蛋白可以分为3类：(1)与果蝇触角蛋白（OS-D）氨基酸序列具有同源性；(2)与的嗅觉蛋白具有相似性；(3)蜚蠊触角特异性蛋白，与其它已知的蛋白都没有相似性。

大部分的蛋白在雌、雄蛾触角中都存在，也有一些具有性别专一性，这些蛋白的确切的生理功能还有待进一步研究。

除了研究范围有所扩展以外，近几年对鳞翅目昆虫触角气味结合蛋白的研究也更加深入。

一方面是继续探索气味结合蛋白的分离纯化，研究它们的生理功能[19]，另一方面，主要加强了气味结合蛋白基因的表达研究，从中获得足够的晶体蛋白用于研究蛋白的空间构象与功能的一致性，或者是制备抗体，利用原位杂交和免疫组织定位的方法研究气味结合蛋白的分布与功能的关系[20~22]。

通过简并引物PCR 结合RACE技术克隆了我国主要棉花害虫———棉铃虫触角中的3类气味结合蛋白全长基因(、和)，并且在大肠杆菌中成功表达了其中两类气味结合蛋白(rPBP-Harm和rGOBP2-Harm)，通过亲和层析分离纯化获得了大量纯化的棉铃虫触角气味结合蛋白，并且免疫兔子制备了高度专一性的抗体，然后对PBP-Harm和GOBP2-Harm在棉铃虫触角感器中的分布进行了免疫定位。

结果表明：PBP和GOBP2存在于触角毛形感器或锥形感器的淋巴液和感受器着生腔中，不存在于树突或感受器表皮壁中。

在雄蛾触角中，PBP主要存在于毛形感器中，不存在于锥形感器中；而GOBP2主要存在于锥形感器和一些中等大小的毛形感器中。

然而，在雌蛾触角中，PBP存在于少部分的锥形感器和中等大小的毛形感器中，长形毛形感器中不存在PBP；而GOBP2不但存在于大部分的锥形感器和部分中等大小的毛形感器中，而且还存在于部分的长形毛形感器中。

由此可见，棉铃虫触角中气味结合蛋白的分布与其功能是一致的[13,22，24]。

Damberger等[25]在大肠杆菌中成功表达了家蚕性外激素结合蛋白基因（），并且纯化获得了重组的BmPBP蛋白，通过核磁共振(NMR)光谱证明了蛾性外激素结合蛋白(BmPBP)的存在形式及构象与pH值有关，当pH值大于6.0时，Bm-PBP以碱性形式存在(BmPBP B)，而当pH值小于4.9时，以酸性形式存在(BmPBP A)，pH值在4.9与6.0之间时，以A和B两种混合形式存在，这两种形式可以相互转换。

在其它的OBP中也观察到了气味结合蛋白具有多种构象，表明依赖于pH值的构象多态性可能是这类蛋白的共同特征。

在pH值低于5.0时，OBPs不与配体发生结合，表明pH的改变影响折叠构象，这种影响在嗅觉过程中可能起着重要的生理作用[26~28]。

将PBP同细胞膜混合，在UV附近的圆二色性()测定表明BmPBP的构象发生改变，因此，当BmPBP接近树突膜，其构象转变为BmPBPA形式，使配体释放出来刺激受体分子[25,29]。

用X-光线晶体衍射法研究了BmPBP与bombykol复合物的结构，在pH8.2时，BmPBP-bo-mbykol复合物形成6个α-螺旋，这6个α-螺旋通过3个二硫桥连接在一起，将配体完全包裹起来，bombykol结合在BmPBP的亲脂性口袋中，在溶液中得到了保护[30]。

在BmPBP-bombykol复合物结构中，没有观察到配体进入亲脂性口袋的入口和出口，Sander等[30]认为可能是覆盖性外激素结合口袋的一个环移到一边或者这个蛋白有部分不折叠，配体可以通过这部分与口袋进行结合或释放出来。

为了阐明配体与气味结合蛋白结合和释放的过程，明确pH 的改变对气味结合蛋白构象的影响，Horst等[21]利用NMR研究了BmPBP的所有构象及其生理功能，结果表明BmPBP A与BmPBP-bombykol复合体晶体结构在构象上明显不同。

C-末端131~141位氨基酸残基位于BmPBP-bombykol复合体表面，在复合体721农业生物技术学报2004年中形成一个伸展的构象，而在BmPBP A中形成一个琢-螺旋，并且位于BmPBPA蛋白核心位置。

这是分子内调控的一种新的机制，通过蛋白构象的改变，使BmPBP能够结合和释放外界的气味分子，参与构象改变的氨基酸彼此不相邻。

这些研究很好地解释了为什么气味结合蛋白能够选择性地结合气味分子，又能在合适的条件下释放出气味分子。

2气味降解酶当气味分子刺激感受器神经膜受体后，一定存在某种机制降解剩余的气味分子，否则昆虫会因为连续刺激而死亡。

1981年，Vogt和Riddiford[4]首先报道在多声大蚕蛾触角中存在一种酯酶，这种酯酶能够降解多声大蚕蛾性外激素中的乙酸酯组分，并且在雄蛾触角中特异性表达。

随后，Rybczynski等[31]和Preswich等[5]分别在烟草天蛾、烟蚜夜蛾、多声天蚕蛾和家蚕触角中发现了一类能够分解醛类化合物的醛氧化酶，这类醛氧化酶在雌雄蛾触角中均存在，但在雄蛾触角中含量更丰富。

因此这种酶可能起着双重的作用，一方面主要分解性外激素中的醛类物质，另一方面还可能参与普通气味的分解作用，因为醛类化合物普遍存在于植物挥发物中。