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专题:Cell封面:避免腐烂食物的神经机制

时间:2012-12-16 浏览次数:1437

摘要:

geosmin(土臭味素)是一种具有强土腥味的化合物,GEOSMIN是我们非常熟悉的气味:通常存在于潮湿的土壤中,只能由某些微生物产生和释放。这刺激将覆盖所有其他食物的气味信号,不论之前是如何吸引。因此,GEOSMIN是一个完整的STOP信号,防止有毒食品进入口中,这味道和我们打开冰箱闻到上周被遗忘的晚餐进食和产卵的苍蝇相似。人类的鼻子对这种气味高度敏感,可以检测到它的

 

食用腐烂的食物可能是致命的,因为这可能导致细菌病原体进入消化系统的。及时检测食物的腐烂衰败迹象,从而避免此类食物中毒现象已成为当前嗅觉方面的研究要务。

geosmin(土臭味素)是一种具有强土腥味的化合物,GEOSMIN是我们非常熟悉的气味:通常存在于潮湿的土壤中,只能由某些微生物产生和释放。这刺激将覆盖所有其他食物的气味信号,不论之前是如何吸引。因此,GEOSMIN是一个完整的STOP信号,防止有毒食品进入口中,这味道和我们打开冰箱闻到上周被遗忘的晚餐进食和产卵的苍蝇相似。人类的鼻子对这种气味高度敏感,可以检测到它的浓度尽可能低为0,1 ppb(每十亿份)。

现在,来自德国耶拿化学生态学研究所的生物学家们*次对果蝇自身及其后代如何避免接触腐烂食物的相关神经机制进行了研究,这有利于人类对神经中毒机制的了解。相关论文以封面的形式发表在2012年12月7日的Cell杂志上。

2011年春季在德国EHEC出血性大肠杆菌细菌污染的豆芽事件表明,进食之前区分新鲜食品对于人体健康至关重要的。食品,无论是肉类或蔬菜,或多或少总是由细菌和其他微生物,它们的数量随不同程度的新鲜和储存条件的不同而不同。一般情况下,免疫系统可以应付在食品中的微生物。因此,如果不太远先进的食品腐烂,动物可以消化的食物不会造成损害。但是,由病原微生物的浓度过高引起的人类或其他动物毒素的产生已成为高危险了吗?

在许多情况下,视觉信号足以使我们能够避免腐烂的食物——谁愿意咬一只已腐烂的橘子呢?然而,一个更直接的和普遍的信号是,某些由有害微生物和/或它们的活动释放出来的气味。如果被发现,这些散发出气味的食物就会被直接丢弃,从而拯救生命的行为。但是这过程中神经系统的判断依据是什么呢?进入大脑的气味分子与嗅觉受体是如何对动物看到的现象的呢?

黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)和相关的物种是回答这样的问题的研究对象。这些飞虫通常以生长在腐烂水果中的酵母菌为食。在这一阶段,他们必须区分“好”与“坏”的微生物,即哪个阶段的水果是健康的。

在本次研究中,研究人员发现果蝇对的致病细菌或真菌的状况判断速度非常快,GEOSMIN存在的条件下的虫卵沉积并未导致可行的幼虫。研究者发现果蝇对GEOSMIN的更敏感。“我们电生理实验开始,先后分析一万个以上的嗅感觉神经元”文章*作者Marcus Stensmyr说。早在这个阶段,*个意外的结果变得很明显:只有一个单一的标有“ab4B”型神经元对GEOSMIN有响应。这些神经携带可与GEOSMIN反应完全的特异性受体Or56a。

特异性可以建立在单个神经元和气相色谱仪,其中超过3000的气味已经过测试,在实验中使用的异位表达该受体的细胞培养。在果蝇大脑的光学成像揭示了另一个有趣的结果:从约50个肾小球,构成触角叶,苍蝇的嗅觉中枢的,只有一个,标记DA2,被激活GEOSMIN。DA2被发现在同一地区的其他肾小球气味诱发厌恶的行为。DA2的刺激导致激活的单一类型的一个特定的投射神经元(PN)传送消息有关GEOSMIN存在更高的脑区。PNS以其他方式常常更广泛的调整,提供一个交叉肾小球的嗅觉编码的模式。这项研究的比尔·汉森认为,“在GEOSMIN、Or56a,DA2及PNS中情况不同,在这个电路中,刺激直接修补通过从天线到的行为,没有任何弯路。到现在为止,这种模式只在对性信息素的反应中被研究,这是*次发现的涉及摄食行为的神经反应。

在GEOSMIN刺激下,神经系统通过介导的神经反应,不仅在短短几分钟的时间内使果蝇远离腐烂的水果,它也覆盖了所有同时提供了吸引力的气味,如醋或水果的香味,这意味着,果蝇体内已形成避免GEOSMIN的神经机制,即使是不同的气味混合的物物质,从而将不会被诱惑而对身体产生不利。这是很重要的,因为气味混合物的规则,在一个自然的环境中也不例外。GEOSMIN效应是如此强大,它也调节幼虫生长:雌性果蝇可在长满了普通酵母的基质上产卵,但不会把卵产在产生菌链霉菌的高致病性GEOSMIN的基质上。在链霉菌突变体缺乏在其GEOSMIN产酶,果蝇也会排卵,然而产生的幼虫死亡。

原文摘要:

A Conserved Dedicated Olfactory Circuit for Detecting Harmful Microbes in Drosophila

Flies, like all animals, need to find suitable and safe food. Because the principal food source for Drosophila melanogaster is yeast growing on fermenting fruit, flies need to distinguish fruit with safe yeast from yeast covered with toxic microbes. We identify a functionally segregated olfactory circuit in flies that is activated exclusively by geosmin. This microbial odorant constitutes an ecologically relevant stimulus that alerts flies to the presence of harmful microbes. Geosmin activates only a single class of sensory neurons expressing the olfactory receptor Or56a. These neurons target the DA2 glomerulus and connect to projection neurons that respond exclusively to geosmin. Activation of DA2 is sufficient and necessary for aversion, overrides input from other olfactory pathways, and inhibits positive chemotaxis, oviposition, and feeding. The geosmin detection system is a conserved feature in the genus Drosophila that provides flies with a sensitive, specific means of identifying unsuitable feeding and breeding sites.

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