新研究：章鱼化学触觉的分子基础

来源：brainnews

对环境的感知能力是生物适应环境的基础，生物需要感受并整合周围环境信息从而完成觅食、求偶以及抵御捕食者等重要行为。陆生动物通常利用眼睛、鼻子、耳朵和嘴巴等传统感觉器官捕捉外界环境中分子信息并作出相应的生理行为反应。海洋环境中，由于许多信号分子难溶于水无法在水环境中扩散，海洋生物感知这些信息则需要通过不同形式的以接触为基础的化学感知方式来实现，章鱼（Octopus）就是一个典型的通过接触性依赖的化学感知方式实现环境感知的例子。章鱼（Octopus）隶属于软体动物门、头足纲、八腕目、章鱼科，其神经系统复杂且2/3神经元分布在八条灵活的触手中。触手的神经系统包含中枢神经索和分布于吸盘内的神经节，因而章鱼可以利用吸盘上的神经节感知并整合信号分子从而控制触手甚至单个吸盘的自主行为。前人研究发现位于吸盘边缘的上皮细胞在形态上与其他动物感觉受体细胞相似，这提示吸盘可能是其化学触觉的感觉器官，然而，这种特殊感知方式下的刺激响应、分子及细胞学机制尚不清楚。

2020年10月29日，发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell（《细胞》）上的研究“Molecular Basis of Chemotactile Sensation in Octopus”对这一科学问题进行了回答。研究人员通过联合组学分析、细胞实验，化学物质刺激以及行为学实验等结果进行分析，揭示了章鱼适应水环境进化出独特的化学触觉的分子基础。

首先，为了检测章鱼吸盘是否具有与其他感觉器官相似功能的感觉细胞，研究团队从吸盘的外缘周围分离出细胞群，鉴定出三种不同形态和功能的细胞（图1）。一种是机械感受器细胞（Mechanoreceptor cell），其具有短圆形树突状末端，对机械刺激敏感，可引起章鱼腕的伸出行为，但是对猎物的化学物质（鱼类的提取物）不敏感；另一种是化学感受器细胞（Chemoreceptor cells），其具有长而细的树突末梢，对机械刺激不敏感，但猎物提取物可诱导其典型的内向整流电流；第三种细胞是与上皮细胞形态类似的支持细胞（support cell），对化学和机械刺激均不敏感。章鱼吸盘包含不同类型的感觉细胞，是吸盘作为多模态感觉器官的细胞基础。同时，研究人员进一步分析了化学感受器和机械感受器细胞的电学特性，发现它们能够传递不同的电信号。在注入相同的电流时，化学感受器细胞表现出多频的电压峰值强度，而机械感受器细胞的电压峰值与刺激强度保持一致。两种类型的感觉细胞与河豚毒素的敏感的电压门控内向电流类似，但是在非兴奋性支持细胞中是不存在的。

图1  章鱼触手独特的化学和机械感受器细胞

其次，为了进一步确定与感觉相关的分子，该研究对章鱼多种组织（包括传统感觉器官、吸盘和吸盘上皮细胞）的转录组数据进行了比较分析。结果表明一个被描述过的机械感觉受体同源物NompC（No mechanoreceptor potential C）在章鱼吸盘上皮被显著富集，而它被认为主要参与吸盘对机械信号转导过程，不过，作者没有发现任何已知的化学受体同源物在吸盘上皮中被富集。不过，作者观察到双班蛸（Octopus bimaculoides）基因组和吸盘转录组数据的富集结果多发生于离子受体（离子通道配体）。这些受体被归为头足动物特有的化学触觉受体（chemotactile receptors，CRs），这些受体介导双班蛸的触觉和味觉。同时CRs存在于三种章鱼物种且缺乏典型的乙酰胆碱结合位点，因此，他们被认为是章鱼共同起源的一种非典型乙酰胆碱受体。CRs虽然仅在章鱼吸盘感觉上皮中特异表达，但有趣的是，单个CRs在散在的感觉细胞中以组合模式共表达，这一特性有利于加强信号检测和转导的多样性（图2）。

图2  富集于吸盘上皮中化学触觉受体（CRs）以及其对猎物化学物质的敏感性呈现组合表达模式

随后，作者对CRs具体响应机制进行了解析，发现CRs对从猎物和头足类动物排放的墨汁中提取的天然产物的敏感性不同：猎物提取物诱发CRs的反应，但是墨汁则抑制了异源性CRs的表达。另外，CRs对大多数常见的气味或味觉化合物都不敏感，但是疏水性类萜却可以激活反应，且单个CRs可以编码不同的化学刺激，介导多种信号检测。特别重要的是，每个感觉细胞都具有多个CR亚单位的组合表达模式，他们可以形成细胞特异性离子通道复合物，从而对激动剂的敏感性和离子渗透特性进行差异调节（图3）。因此，CRs介导了信号检测和转导的广泛多样性，这是章鱼半自主外周神经系统中独特的感官编码方式。

图3  CRs形成的异聚体通道复合物影响对刺激物的检测和转导

最后，作者开发了一种新的行为方法检测章鱼复杂的化学信号是如何与机械刺激一起编码以引起特定的化学触觉行为的。结果显示章鱼在探索环境时，会使用一些典型的触觉动作，而这些动作会因接触不同的萜类激动剂而明显改变。机械感受器细胞则表现出窄的可调节的瞬时机械感受反应和相位动作电位。CRs提供了对不同刺激响应和转导机制，可以通过修饰电位频率以化学依赖的方式对不同的神经信号进行传导。

综上，本研究描述了头足动物特异的化学触觉受体CRs，通过刺激物、细胞、转导特性和相关的化学触觉行为等实验，定义了这种接触依赖性的水生化学感觉模式。1）作者发现吸盘含有特殊的化学感觉细胞和机械感应细胞，分别传递编码化学和触觉信息的特定动作电位模式。机械感受器NompC在机械感觉细胞中显著富集，在介导瞬时的接触信号表现出高度保守的特性。化学感觉细胞利用一个以前没有描述的受体家族——头足动物特异的CRs，介导接触依赖性的化学感觉，这类受体在吸盘感觉上皮中高度富集。2）通过CRs对于从猎物和头足类动物排放的墨汁中提取的天然产物，以及可溶性较差的萜类分子的交叉验证，作者发现每个感觉细胞都具有多个CR亚单位的组合表达模式，他们可以形成细胞特异性离子通道复合物，从而对激动剂的敏感性和离子渗透特性进行差异调节，同时，CRs介导了信号检测和转导的广泛多样性，是章鱼半自主外周神经系统中独特的感官编码方式。3）同时，作者发现章鱼在探索环境时，会使用一些典型的触觉动作，而这些动作会因接触不同的萜类激动剂而明显改变。因此，本研究结果显示，章鱼的外周分布神经系统表现出特殊的信号过滤特性，这些特性是由高度特化的感觉受体介导的。本研究为我们理解章鱼水中化学触觉感知奠定了分子基础，为进一步探讨物种的适应性演化机制提供了新思路和方法。

论文摘要

动物根据其生态位表现出广泛的进化适应。章鱼用它们灵活的触手探索海底，用一种特殊的“触觉-味觉”系统对猎物产生的化学物质和运动作出感知和行为反应。然而，章鱼外周分布的神经系统如何调节相对自主的触手行为尚不清楚。本研究报道了章鱼运用头足动物特异的化学触觉受体（chemotactile receptors，CRs）识别难溶解的天然产物，从而定义了一种接触依赖性的水生化学感觉方式。CRs形成离散的离子通道复合物，可以介导不同刺激物的检测和特定离子信号的传导。此外，不同的化学和机械感觉细胞表现出特异的受体表达和电活动，以支持外周信息编码和复杂的化学触觉行为。以上结果表明，章鱼外周分布的神经系统是信号处理的关键部位，并强调了解剖学和分子适应如何协同进化以适应环境。