對於主要依靠嗅覺生存的土棲線蟲來說，聞或不聞的能力可能是生與死的區別。然而，幾十年來，科學家們一直對這些蠕蟲如何區分一千多種不同的氣味感到困惑。來自多倫多大學的研究人員現在已經確定了這一過程背後的分子機制，並表明它包括一種有助於人類視力平衡的保守蛋白質。他們的發現所產生的後果超出了線蟲的嗅覺，甚至可能揭示了人類大腦的功能。
多倫多大學Temerty醫學院的分子遺傳學教授兼唐納利細胞和生物分子研究中心主任Derek van der Kooy是這項研究的首席研究員。秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）是范德庫伊實驗室進行的神經科學研究中使用的模型生物之一。他們的成果最近發表在《美國國家科學院院刊》上。
“蠕蟲具有令人難以置信的嗅覺–這絕對是驚人的，”該論文的第一合著者、范德庫伊實驗室的一名新晉博士畢業生Daniel Merritt在上周的論文答辯后說。
“它們可以檢測到非常廣泛的化合物，例如從土壤、水果、花朵、細菌中釋放的分子。他們甚至可以聞到爆炸物和病人尿液中的癌症生物標誌物，”他說。
由於擁有大約1300個氣味受體，秀麗隱桿線蟲是嗅覺冠軍，它們的發現始於三十年前。與人類一樣，人類有大約400個受體，每個受體都專門用於感知一種類型的氣味，但這就是相似之處的結束。
我們的鼻子里有數百個感覺神經元，每個神經元只表達一種受體類型。當氣味劑激活一個特定的神經元時，信號沿着其長長的過程或軸突進入大腦深處，在那裡被感知為氣味。攜帶不同氣味信號的軸突電纜的物理分離使氣味辨別成為可能。
然而，這些蠕蟲只有32個嗅覺神經元，這些神經元容納了它們所有的1300個受體。
Merrit說：“很明顯，一個神經元一種氣味的策略在這裡是行不通的。”
然而，這些蠕蟲可以區分由同一神經元感知的不同氣味。20世紀90年代初的開創性研究表明，當暴露於兩種有吸引力的氣味時，其中一種是均勻存在的，另一種是局部的，蠕蟲會向後者爬去。但這種行為是如何在分子水平上被調節的仍然不清楚。
“似乎這個神經元感應到的所有信息都被壓縮成一個信號，然而蠕蟲卻能以某種方式分辨出上游成分之間的差異。”Merrit說：“這就是我們來到這裡的原因。”
Merrit和前碩士生Isabel MacKay-Clackett也是這篇論文的第一作者之一，他們推斷，也許蠕蟲正在感知氣味的強度。
根據他們的假設，隨處可見的氣味並不是信息量最大的線索，而且會以某種方式變得不敏感，這意味着蠕蟲會忽略它們。這將留下弱的氣味，這些氣味可能對指導行為更有用，能夠激活它們的受體並引起信號轉導。
他們還對這一現象在分子水平上如何運作有了預感。一種名為抑制蛋白的蛋白質是一種公認的所謂G蛋白偶聯受體（GPCRs）的脫敏劑，這是一個感知外部刺激的大型蛋白質家族，氣味受體屬於該家族。例如，抑制蛋白通過抑制視網膜中光子感應受體的信號傳遞，使我們能夠在強光下調整視覺。
該研究小組想知道，當同一神經元對較強的氣味有感覺時，抑制蛋白是否也會在蠕蟲中起到使較強的氣味受體脫敏的作用，而對較弱的氣味則有感覺。為了測試他們的假設，他們讓缺乏抑制蛋白基因的蠕蟲在培養皿中接觸兩種不同的誘人氣味。他們將一種氣味混合到瓊脂培養基中，使其均勻，並將蠕蟲放在上面。另一種氣味被放置在離蠕蟲有一定距離的一個地方。
沒有抑制蛋白，蠕蟲不再能夠找到較弱的氣味的來源。MacKay-Clackett說，就像人的眼睛在明亮的陽光下眯着眼睛一樣，抑制蛋白有助於消除一種過強的感覺–在這種情況下是環境氣味–以便蠕蟲能夠感覺到局部的氣味並向它移動。