抓住嗅覺發(fā)育的黃金時期，讓你“一嗅千里”
撰文 | 張亭亭
審核 | 羅敏敏
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雖說“酒香不怕巷子深”，可是為什么有些人還沒到巷口便聞到了美酒飄香，而有些人看到了大大的“酒”字才知道是一醉方休的地方？這種與生俱來的嗅覺差異是在發(fā)育的何時被定格的？這個關(guān)鍵時期內(nèi)演繹著怎樣的生命活動？
2019年7月19日，來自美國堪薩斯大學(xué)的俞從容教授為北京腦中心的師生們分享了自己在嗅覺發(fā)育關(guān)鍵期所做的科研成果。
嗅覺系統(tǒng)在嚙齒類動物中比較發(fā)達，這些動物通過其敏銳的嗅覺能力進行交友、捕食、逃避天敵等行為活動，因此小鼠成為嗅覺研究的理想模型。哺乳動物的嗅覺神經(jīng)元（OSN）具備再生能力，每個OSN表達一種特定的氣味受體（OR）基因，表達同種OR的OSN軸突投射到同一個嗅小球中，從而形成特定的嗅覺空間地圖。雖然OSN在成年小鼠的整個生命過程中均可再生并形成上述特定投射路徑，但俞教授團隊發(fā)現(xiàn)OSN糾正錯誤投射路徑的能力僅存在于出生后一周內(nèi)。他們利用Kir2.1蛋白通道的超極化作用，構(gòu)建OSN特異性表達Kir2.1蛋白的Kir2.1轉(zhuǎn)基因小鼠，實現(xiàn)對OSN活動的沉默，然后在小鼠產(chǎn)后不同發(fā)育時期喂食多四環(huán)素（DOX）阻斷Kir2.1蛋白表達，恢復(fù)其OSN的活性狀態(tài)，觀察在不同時期小鼠嗅覺神經(jīng)元及其投射纖維的發(fā)育情況。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在P0時給予DOX后，Kir2.1小鼠的嗅覺神經(jīng)元投射模式與野生型小鼠無明顯差別，但在P21天喂食DOX后，Kir2.1小鼠已形成固定的異常投射模式，無法被逆轉(zhuǎn)，提示在P0-P21之間存在嗅覺系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵時期。之后該團隊以小鼠產(chǎn)后發(fā)育時間進程為主線開展實驗，通過標記M71和M72兩種OR，證實在P0-P7天內(nèi)，即使Kir2.1小鼠OSN投射纖維分散到不同的嗅小球中，也可以通過DOX恢復(fù)正確的嗅覺地圖，但P7后嗅覺發(fā)育的可塑性逐漸降低，異常發(fā)育的嗅覺地圖很難被糾正。因此，俞教授團隊認為P0-P7是小鼠嗅覺發(fā)育的關(guān)鍵時期。 之后，他們利用腺病毒示蹤法、組織透明、基因標記、單細胞轉(zhuǎn)錄組分析等技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)在嗅覺發(fā)育的關(guān)鍵期存在一群導(dǎo)航神經(jīng)元，這些神經(jīng)元在到達特定終點的嗅小球前會在不同嗅小球間迂回穿梭，并在較短的生命期內(nèi)出現(xiàn)旺盛的軸突生長現(xiàn)象（P3-P7），之后逐漸收斂消失，經(jīng)歷軸突“修剪”和聚合過程，最終形成特定的投射模式，為其他OSN提供生長投射通路。通過BCL2延長這些神經(jīng)元的生長周期，會導(dǎo)致軸突生長過旺而影響聚合；而通過DTA消除這些成熟的OSN會導(dǎo)致嗅覺地圖錯亂。因此導(dǎo)航神經(jīng)元適當?shù)拇嬖诤拖潜ＷC嗅覺地圖正常產(chǎn)生的重要前提。 實現(xiàn)嗅覺發(fā)育關(guān)鍵時期的分子機制究竟是什么呢？俞教授團隊通過單細胞轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)在P0-P7期存在明顯變化的基因包括Fzd1,Fzd2,H19等。如Fzd1在P3-P7期表達最豐富，之后逐漸下降，F(xiàn)zd1敲除的小鼠OSN發(fā)育明顯降低，該基因通過一種自動調(diào)控的loop模式實現(xiàn)在小鼠生長發(fā)育早期提高神經(jīng)發(fā)育的可塑性，并在生長后期降低發(fā)育的可塑性。 最后，俞教授從行為表型角度闡述了嗅覺發(fā)育關(guān)鍵期的改變對氣味識別所產(chǎn)生的影響。他們通過氣味偏好實驗發(fā)現(xiàn)，在嗅覺發(fā)育關(guān)鍵期給予小鼠厭惡的氣味刺激，小鼠成年后會偏好于該種氣味，機制在于關(guān)鍵期內(nèi)的氣味刺激會改變OSN的投射途徑，從而改善對氣味的偏好。 俞教授的精彩演講告訴我們，在嗅覺系統(tǒng)的黃金期，神經(jīng)元具有高度可塑性，雖然OSN與中樞在此期形成高度特異性的功能聯(lián)系，但是外界氣味刺激也可以在這個時期改變神經(jīng)投射通路。所以，讓你的實驗鼠在嗅覺黃金期多嗅一下實驗室的氣息吧，說不定它們會和你一樣愛上科研。 參考文獻 [1] Ma L, Wu Y, Qiu Q, Scheerer H, Moran A, Yu CR. A developmental switch of axon targeting in the continuously regenerating mouse olfactory system. Science. 2014. 344(6180): 194-7. [2] Wu Y, Ma L, Duyck K, et al. A Population of Navigator Neurons Is Essential for Olfactory Map Formation during the Critical Period. Neuron. 2018. 100(5): 1066-1082.
