2004诺贝尔奖评述：探寻嗅觉之谜

http://www.sina.com.cn 2004年10月13日 10:20 科学网
陈 凌 杨雄里
独特的花香会唤起一个人久远的美好回忆，但一种难闻的气味也会让人对某种食物避之唯恐不及。嗅觉不仅让人的感受更加细致入微，而且对感知周围环境、以至于更好地生存也起着重要作用。人能够分辨和记忆约1万种不同的气味，但人具有这种能力的基本原理是什么？
2004年度诺贝尔生理学或医学奖授予了美国的两位神经科学家理查 德·阿克塞尔和琳达·巴克，他们通过开拓性的工作，从分子水平到细胞组构水平，清楚地阐明了嗅觉系统是如何运作的。诺贝尔基金会表示，把大奖颁发给这两位 科学家，是因为他们发现了包含1000个不同基因的大型基因家族，使我们能理解“人类为什么能感受到春天紫丁香的香气，并在任何时候都能提取出这种嗅觉上 的记忆”。
嗅觉是化学刺激(嗅质)作用于嗅上皮(嗅粘膜)所引起的“气味”感觉。嗅上皮是鼻粘 膜的一部分，位于鼻腔深部。嗅上皮中存在约有500万个可被嗅质激活的神经细胞(神经元)——嗅感受器。每个嗅感受器的顶部有10余根特化的纤毛，纤毛埋 在覆盖嗅上皮的黏液层中。在纤毛膜上存在特异的蛋白质，称为受体，当嗅质与这些受体结合后即使嗅感受器兴奋，使之产生电信号，这种信号沿着神经细胞的轴突 传送至位于脑前部的嗅球，这个结构实际上是嗅觉信息的交换站。嗅觉信号在嗅球中经过加工后传送至大脑中与思维过程相关的更高级中枢，同时也传送至产生情绪 的脑的边缘系统。
人类可以感觉上万种不同的气味。嗅感受器是如何对如此多种嗅质分子作出反应——是通过少数几种可以对各种嗅质作出反应的非特异性受体来实现？还是对于各种嗅质存在相对特异性的受体？这是嗅觉研究的基本问题。阿克塞尔和巴克正是对这一基本问题的回答作出了重大贡献。
理查德·阿克塞尔和琳达·巴克并不直接研究受体本身，而是去寻找编码受体蛋白的基 因。利用分子生物学和遗传学技术，他们发现小鼠约有1000个基因(占基因总数约3%)用来编码嗅感受器细胞膜上的不同的特异的嗅受体。单个嗅感受器细胞 通常仅表达一种受体基因。组成各类嗅受体的氨基酸链都具有七次跨膜的结构。(下转第四版)(上接第三版)在细胞外，嗅受体与嗅质特异结合，在细胞内，它又 与GTP结合蛋白(G蛋白)耦联。这些基因编码的所有受体都是相关的蛋白，但在细节上有差异，这就是为什么它们各自被不同的嗅质分子所激活。阿克塞尔和巴 克1991年在《细胞》上发表的论文描述了这一发现，成为此领域的奠基之作。
当嗅质和受体结合后，通过纤毛膜内的G蛋白激活腺苷酸环化酶，产生环化腺苷酸 (cAMP)，后者作为细胞内第二信使激活纤毛膜上的离子通道。离子通道的开放使纤毛膜去极化，当去极化到一定程度，纤毛便兴奋并发放神经冲动。同时，G 蛋白也可以通过激活磷酸酯酶，产生三磷酸肌醇(IP3)作为第二信使，激活离子通道以及之后的神经兴奋、冲动发放等环节。阿克塞尔和巴克通过记录单个嗅感 受器的电信号又揭示，单个嗅感受器并非仅对一种嗅质起反应，而是可被几种相关分子激活。已经被确定的嗅质有50万种，按基本特性相近，嗅质可以分为若干大 类。通常每一神经元对同一类嗅质中的几种都敏感，每种嗅质又可兴奋相当数量的神经元。这种交叉组合的编码方式是人类可辨别并记忆多达10000种气味的基 础。
阿克塞尔和巴克进一步又确定了嗅球的组构。嗅球有约2000个明确的微区域——嗅小 球，数目差不多是嗅感受器种类的两倍。他们发现，包含同种嗅受体的嗅感受器细胞的轴突聚集于嗅球中的同一嗅小球。在嗅小球中，同种嗅感受器的轴突与单个僧 帽状细胞发生联系，而僧帽状细胞再将嗅觉信号传递到大脑皮层的不同微区域。被某种嗅质激活的几种嗅感受器所产生信号最终在皮层被整合加工成与该气味相对应 的特定模式，从而使人分辨并意识到是这种气味。
两位科学家在嗅觉研究方面的一系列发现得益于他们的实验设想和采用的技术手段。他们 没有直接寻找受体蛋白，而是搜寻仅在鼻腔上皮表达的基因。他们的努力一开始成效甚微。阿克塞尔曾回忆道：“现在我知道一开始我们为什么失败了，这是因为嗅 受体的种类非常多，而每一种相关基因的表达水平又很低。” 当时在阿克塞尔实验室当博士后的巴克提出了三个设想，大大加速了他们的研究进程。第一，根据其他实验室的结果，嗅受体分子非常类似于眼内光感受器细胞表达 的一种分子——视紫红质。因为视紫红质属于G蛋白耦联受体，这类受体都具有跨膜七次的特征结构，也具有共同的保守DNA序列。巴克便用G蛋白耦联受体所共 有的保守序列作为探针去筛选大鼠基因库。第二，巴克假定嗅受体成员属于一个蛋白家族，于是她致力寻找具有某些相似性的基因群。第三，这些基因必须只在嗅觉 系统上皮组织中表达。这三个设想大大减少了他们的工作量，并最终使他们成功地检测到包含上千个嗅受体基因的新的基因群。巴克后来回忆说：“在长久的研究历 程上，我一直努力尝试，进行过无数次试验，却没有任何值得欣慰的发现。所以，当在1991年发现了新的基因后，我简直不敢相信这是真的！特别是这些基因以 前从来都没有人见过。它们彼此不同，但又相互联系。这一发现给了我极大的成就感。”
阿克塞尔和巴克所发现的嗅觉系统的运作方式也适用于其他感觉系统。信息素分子可以影响动物的社会行为，这些分子可以被另外两个G蛋白耦联受体家族所感知；舌上的味蕾同样包含了可检测味觉的G蛋白耦联受体。
在主要感觉中，视觉和听觉研究早已成就了诺贝尔奖得主。Ragnar Granit，Haldan K. Hartline和George Wald因对视网膜工作原理的研究获得1967年诺贝尔奖；David H. Hubel and Torsten N. Wiesel因对视皮层功能组构的出色研究获1981年诺贝尔奖；1961年，Georg von Béｋéｓy因对中耳如何感知辨别声波刺激的研究获诺贝尔奖。阿克塞尔和巴克对另一种重要的特殊感觉——嗅觉研究的获奖，应该是可以期待的。
嗅觉研究散发成功的芬芳
2004年10月4日，瑞典卡罗林斯研究院诺贝尔大会宣布，将2004年诺贝尔生理学或医学奖授予两位美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克，以表彰他们对气味受体的发现和在嗅觉系统组织方式研究中做出的贡献，两人将共同分享140万美元的奖金。
阿克塞尔今年58岁，他是美国纽约哥伦比亚大学霍华德·休斯医学研究所的研究员，也是生物化学、分子生物物理学和病理学教授。巴克今年57岁，现任美国西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心研究员、华盛顿大学的生物学和生物物理学教授。两人均是美国科学院院士。
1991年，巴克在哥伦比亚大学阿克塞尔实验室做博士后，这一年两人共同在《细胞》 期刊发表一篇文章，宣布他们在小鼠中发现了包括约1000种基因的一个基因大家族，以及这些基因编码的相同数目的气味受体种类，这是首次对嗅觉受体的描 述。之后两人各自独立研究，在分子水平上清楚地阐明了嗅觉系统的工作原理。他们的工作打开了一扇了解嗅觉以及其它感觉功能是如何工作的大门。
嗅觉是生命质量的重要保证
有一句话是“闻香识人”，这句话也表明人能够识别并能记住某种气味。所有的生命体都 能感觉和识别所在环境中的化学物质。鉴别出适当的食物、拒绝腐烂和有害的食物是一项重要的生存能力。不同的种类有不同的嗅觉受体，比如鱼有约100个，小 鼠有1000多个，而人类的嗅觉受体比小鼠要少一些，部分嗅觉基因在进化过程中消失。
对于哺乳类的初生幼崽来说，嗅觉是至关重要的，它们需要依赖嗅觉来寻找母亲和奶头，没有嗅觉它们就不能独立生存。而对许多成年的动物来说，嗅觉也是极为重要的，因为它们许多时候是靠嗅觉来感知和了解它们所处的环境。比如狗的嗅觉上皮细胞的面积就比人类大四倍多。
当我们闻葡萄酒或成熟的草莓的气味时，实际上是这些物质的气味分子激活了我们的嗅觉 系统，让我们能够鉴别出物质的好坏，并做出正确的选择。某种特别的气味还能唤起我们孩提时代或与之伴随的感情时刻的清晰回忆。如果我们在少年时代吃了一只 不新鲜的蛤，并导致身体的不适，我们会长久记着这一事实，多年后即使我们在餐桌上看到含有蛤的精美食物，这种记忆会让我们拒绝它。失去嗅觉是生命中一种严 重的障碍，因为我们不再能感觉不同质量的食物，也不能察觉出危险的信号，如闻不到起火的烟味。
人能识别并记住近1万种气味
嗅觉也是人类感觉系统中最为精致的部分，人类能识别并记住10000多种气味，但多 年来，科学家们一直不清楚嗅觉的基本原理。阿克塞尔和巴克先驱性的工作终于为我们揭开了嗅觉的神秘面纱，他们的研究在分子水平上解释了我们为何在成年时能 识别出儿童时代闻到的丁香花味，并能回忆起当时的情景和感觉。
阿克塞尔和巴克对嗅觉的研究也是人类第一个用分子技术手段解开人类感觉系统的秘密。 他们的工作表明，人类基因组中大约有百分之三的基因是用于编码不同的气味受体，这些气味受体位于鼻腔中与嗅觉受体细胞相连结的细胞膜上。当一个气味受体被 一个气味分子激活时，它会激发位于嗅觉受体细胞上的一个电信号，并将之通过神经通道传递到大脑。每个嗅觉受体首先激活它所联结的G蛋白质。G蛋白质再刺激 细胞内的二级信号环单磷酸腺甘(cAMP)。之后这一信号使分子激活离子通道，让它开或者关，最终将有关气味的信息传递到大脑。阿克塞尔和巴克的工作表明 气味受体是一个属于G蛋白质复合受体的大家族。
所有的气味受体都是相关蛋白质，但在特定细节上又有差别，这解释了为什么它们是被不同的气味分子所激活。每个受体都是由氨基酸链组成，这些氨基酸链创建了可吸附一个气味分子的底物结合袋。当气味分子出现时，受体蛋白质的形成就被改变，从而让G蛋白质活跃。
1991年，阿克塞尔和巴克的这一发现为进一步认识气味信息在大脑中是如何组织的研 究铺平了道路，他们将论文发表在《细胞》期刊。之后他们各自独立工作，他们的工作显示每一个单个嗅觉受体细胞只表达一个而且只有一个气味受体基因，这样嗅 觉受体细胞的个数就与气味受体的个数相当，这为大脑为何能区分不同气味的研究提供了线索。他们推测，通过寄存来自单个嗅觉受体细胞的电信号，每个细胞不只 是与一种气味分子反应，而是与多个相关的分子反应，只是反应的程度有所不同。巴克的小组研究了单个嗅觉受体细胞对特定气味的敏感度。通过吸液管的方法，他 们耗尽了每个细胞，清楚地表明究竟是哪一种嗅觉受体基因在细胞中被表达。这种方法让他们将特定的气味与特定的受体联系起来。
绝大多数气味都是由多种气味分子组成，每一种气味分子可激活几个嗅觉受体。这就导致了对应于某种“气味模式”的特定组合编码形成，就像是拼缝被子或马赛克上多种相拼的颜色。这就是我们识别并记住近10000种不同气味的能力的基础。
他们开拓了新的知识前沿
阿克塞尔和巴克的工作不仅开始回答嗅觉功能的一些基本问题，而且还提出了一些新的问 题等待研究人员们去解答。他们开拓了新的知识前沿，他们在嗅觉系统中发现的基本原则也适用于其它感觉系统。信息素是一种可以影响特别动物的不同社会行为的 分子。阿克塞尔和巴克都独立地发现了两种其它类型的G蛋白质连结状受体可以探测到信息素，这两种G蛋白质连结状受体位于鼻上皮细胞的不同位置。舌头上的味 蕾上也有另一种与味觉有关的G蛋白质受体。
美国约翰·霍普金斯大学的神经科学家所罗门·斯奈德说：“他们两位都是最伟大的科学 家，他们所做的关键性发现开拓了一个十分辽阔的研究领域。”哥伦比亚大学负责研究的执行副校长大卫·赫尔希说：“理查德和琳达做出了意义深刻的重要发现， 我们向他们表示祝贺，他们的实验展示了创造力、科学学科和学者的最高形式，这是科学最美丽的时刻。”(王丹红／编译)