معلومة

ما هي الآلية الجزيئية لمسار إشارات تحويل الرائحة؟

ما هي الآلية الجزيئية لمسار إشارات تحويل الرائحة؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد قرأت بعض الأوراق حول موضوع مسار الإشارات ذات الرائحة. يتم سرد الأوراق التالية كأمثلة. ومع ذلك ، وجدت أنه لا يوجد تمثيل واضح للمسار لمسار إشارات الرائحة ، والذي من خلاله يجب معرفة الجينات واللوائح المعنية. هل فاتني أي ورق؟

  • مينزل ، ر. وب. بنيامين (2013). التعلم والذاكرة اللافقارية ، المطبعة الأكاديمية.
  • Leal WS: استقبال الرائحة في الحشرات: دور المستقبلات والبروتينات الرابطة والإنزيمات المهينة. Annu Rev Entomol 2013 ، 58: 373-391.
  • كوب ، يو بي (2010). "الإشارات الشمية في الفقاريات والحشرات: الاختلافات والقواسم المشتركة." نات ريف نيوروسسي 11 (3): 188-200.
  • فوسهول ، إل.بي ، وآر إف ستوكر (2007). "العمارة الجزيئية للرائحة والذوق في ذبابة الفاكهة." Annu Rev Neurosci 30: 505-533.

المعلومات المتوفرة عن هذا ضخمة. سأحدد النقاط الرئيسية. بشكل عام ، ستشمل هذه الإشارة أربعة مكونات. المستقبلات وآلات التنبيغ وعمليات المستقبلات والمعالجة النهائية للمعلومات الكيميائية الحسية.

مستقبلات
الخطوة الأولى هي استقبال الإشارة (هنا رائحة أو مواد كيميائية). يوضح الشكل التالي مقارنة بين الخلايا العصبية الأولية للمستقبلات الكيميائية في الفقاريات والحشرات والديدان الخيطية.

تخضع هذه الخلايا العصبية باستمرار للولادة والنضج والموت وتتم دراسة العملية جيدًا في العديد من الأنظمة النموذجية.

نقل الإشارة

بعد تلقي الحافز ، يجب نقله داخل الخلية لمزيد من المعالجة. في هذه الحالة ، يحدث التحويل بشكل عام عبر إشارات GPCR. تستخدم هذه الخلايا العصبية شلالتي إشارات مستخدمة على نطاق واسع. يوضح الشكل التالي المكونات الرئيسية في هذه الإشارة ((أ): الخلايا العصبية للمستقبلات الشمية للفقاريات (ب): الخلايا العصبية لمستقبلات جراد البحر الشمية) ،

عمليات Perireceptor

هذه العملية مهمة لتنشيط المستقبلات والتوصيل. يمكن أن تكون من أي نوع مثل الميكانيكية أو البيوكيميائية.

معالجة المصب

هناك معلومات ضخمة متاحة على مستوى المسار. يمثل الشكل التالي المكونات الرئيسية في نظامين نموذجيين.

للعثور على الجينات ، عليك البحث في جزء محدد من هذه العملية (مثل هذا مثال جيد على جينات المستقبل في الإنسان).

أوصي بشدة بقراءة الفصل 4 من "الحواس - المرجع الشامل". جميع المعلومات الواردة أعلاه مأخوذ من هذا الكتاب. مرجع جيد آخر مفتوح المصدر هو علم الأعصاب في الشم ، يحتوي هذا المرجع على كل الأشياء التي تحتاجها مجانا.


آلية التكيف مع الرائحة في خلية المستقبل الشمية

يبدأ التكيف مع الرائحة على مستوى خلايا المستقبلات الحسية 1-5 ، على الأرجح من خلال تعديل آلية توصيلها. ينطوي نقل الإشارة الشمية على تنشيط نظام إرسال الأدينيليل cyclase / الدوري الثاني AMP والذي يؤدي إلى الفتح المتسلسل للقنوات ذات البوابات cAMP وقنوات أيون الكلوريد المنشط Ca 2+ 4-7. عدة تقارير من النتائج التي تم الحصول عليها من في المختبر تصف المستحضرات الآليات الجزيئية المحتملة المشاركة في التكيف مع الرائحة وهي ، مستقبلات الفسفرة اللانهائية 8،9 ، وتفعيل إنزيم الفوسفوديستيراز 10 ، وتنظيم قناة الأيونات 11-14. ومع ذلك ، لا يزال من غير المعروف ما إذا كانت هذه الآليات المفترضة تعمل في خلية المستقبل الشمية السليمة. هنا نتحرى طبيعة آلية التكيف في الخلايا الشمية السليمة باستخدام مزيج من تحفيز الرائحة والتحليل الضوئي cAMP المحبوس 15 والذي ينتج استجابات حالية تتجاوز المراحل المبكرة من نقل الإشارة (بما في ذلك المستقبلات والبروتين G و adenylyl cyclase). أظهرت الاستجابات التي يسببها الرائحة و cAMP نفس التكيف بطريقة تعتمد على Ca 2+ ، مما يشير إلى أن التكيف يحدث بالكامل في اتجاه مجرى السيكلاز. علاوة على ذلك ، نظهر أن نشاط الفوسفوديستيراز يظل ثابتًا أثناء التكيف وأن تغيير التقارب في القناة ذات بوابات cAMP للرابطات حسابات جيدة لنتائجنا. نستنتج أن الآلية الرئيسية الكامنة وراء التكيف مع الرائحة هي في الواقع تعديل للقناة ذات بوابات cAMP عن طريق ردود الفعل Ca 2+.


ما هي الآلية الجزيئية لمسار إشارات تحويل الرائحة؟ - مادة الاحياء

ملخص المقال:

في عيون الفقاريات ، تدخل أشعة الضوء من خلال التلميذ وتركز هذه الحزم الضوئية على مجموعة منظمة للغاية من الخلايا العصبية الحساسة للضوء المعروفة باسم شبكية العين. تتكون شبكية العين من نوعين من الخلايا العصبية المستشعرة للضوء والتي تمت مناقشتها أدناه:

(أ) خلايا قضيب: تستشعر هذه الخلايا مستوى منخفض من الضوء ولكنها لا تستطيع التمييز بين الألوان.

(ب) خلايا مخروطية: هذه الخلايا أقل حساسية للضوء ولكن يمكنها تمييز الألوان.

هيكل القضيب والمخروط

كلتا الخليتين عبارة عن خلية عصبية حسية طويلة وضيقة ولها قسمان خلويان متميزان ، ويتكون الجزء الخارجي من عدد من الأقراص الغشائية التي تحتوي على بروتين غشائي رودوبسين ويتكون الجزء الداخلي من نواة والعديد من الميتوكوندريا اللازمة لإنتاج ATP الذي يتم استخدامه أثناء نقل الصورة. يحتوي الجزء الداخلي أيضًا على Na + K + ATPase الذي يخلق جهدًا كهربائيًا عبر الغشاء. يتم تقليل إمكانات الغشاء هذه عن طريق تدفق Na أو Ca عبر قناة أيونات موجودة في الجزء الخارجي. هذه القناة الأيونية مسورة بواسطة cGMP. في الظلام ، تتكون الخلايا القضيبية من مستوى معين من cGMP الذي يحافظ على هذه القناة مفتوحة. تعتمد القيمة المحتملة للغشاء على الفرق الصافي بين تركيز Na و K + الذي تم إنشاؤه بواسطة Na + K + ATPase الموجود في الجزء الداخلي من الخلايا وتدفق Na أو Ca عبر القنوات الأيونية للجزء الخارجي.

الآلية الجزيئية المشاركة في الرؤية

يبدأ تحويل الإشارة عندما يسقط الضوء على رودوبسين. رودوبسين هو بروتين غشائي متكامل يحتوي على سبعة أغشية تغطي حلزونات ألفا. تحدث الأحداث التالية أثناء عملية نقل الإشارة في الرؤية.

الخطوة 1: يتكون رودوبسين من صبغة ماصة للضوء 11-رابطة الدول المستقلة وبروتين متصل تساهميًا يعرف باسم أوبسين. عندما يتم امتصاص الفوتون بواسطة رودوبسين ، تتسبب طاقة الفوتون في حدوث تغير في التشكل في رودوبسين عن طريق تحويل 11-cis الشبكية إلى شبكية عبر الشبكية بالكامل.

الخطوة 2: يتفاعل رودوبسين المتحمس مع محول البروتين الثاني ينتمي إلى بروتينات ربط GTP التي تحتوي على ثلاث وحدات فرعية هي Tα و Tβ و Tγ. يمكن أن يرتبط Transducin إما بـ GTP أو الناتج المحلي الإجمالي. في الظلام عندما لا يتم الحصول على إشارة ، يكون الناتج المحلي الإجمالي مقيدًا وتظل جميع الوحدات الفرعية الثلاثة للبروتين مقيدة. عندما يتم تحفيز رودوبسين بواسطة الفوتون ، يتفاعل رودوبسين مع الترانسديوسين الذي يحفز استبدال الناتج المحلي الإجمالي المرتبط بـ GTP من العصارة الخلوية. تنفصل الوحدة الفرعية Tα من transducin عن الوحدة الفرعية Tβγ.

الخطوه 3: الخطوة التالية في مسار تحويل الإشارة هي تفعيل cGMP phosphodiesterase. فسفودايستراز هو إنزيم يحول cGMP إلى 5 'GMP. يؤدي تنشيط هذا الإنزيم إلى خفض تركيز cGMP في الجزء الخارجي. يحجب مستوى cGMP المنخفض القنوات الأيونية ذات البوابات cGMP التي تمنع إعادة دخول Na + و Ca2 + إلى الجزء الخارجي من الخلايا الحسية الضوئية مما يتسبب في فرط استقطاب غشاء الخلايا الحسية الضوئية. يؤدي هذا إلى تغيير التغيير في إمكانات الغشاء لغشاء الخلية. تنتقل هذه الإشارة إلى القشرة البصرية للدماغ وتصدر إشارات.

الخطوة 4: استمرار التدفق المستمر لـ Ca2 + من خلال تبادل Na + Ca2 + يقلل Ca2 + العصاري الخلوي. هذا الانخفاض في تركيز الكالسيوم ينشط إنزيم الجوانيليل الذي يثبط إنزيم الفوسفوديستراز. يؤدي تثبيط هذا الإنزيم إلى زيادة مستوى cGMP يؤدي إلى إعادة فتح الكاتيون. بهذه الطريقة يعود الغشاء المحتمل إلى إمكاناته المسبقة.

الخطوة الخامسة: التغيير التوافقي الذي يحدث بسبب امتصاص الفوتون ينتج عنه تعرض العديد من بقايا Thr و Ser. يتم فسفرة المخلفات بسرعة بواسطة رودوبسين كيناز. يعمل استرداد البروتين المرتبط Ca2 + كمثبط للرودوبسين كيناز. يرتبط رودوبسين الفسفوري باحتجاز البروتين 1. يمنع بروتين الإعتقال 1 التفاعل بين رودوبسين وترانسدوسين. في الوقت المناسب ، تتم إزالة جميع جزيئات رودوبسين المثارة عبر شبكية العين واستبدالها بـ 11-cis شبكية العين.

التضخيم المتضمن في نقل الإشارة هذا

ينشط كل جزيء رودوبسين متحمس ما لا يقل عن خمسمائة جزيء من الترانسديوسين وكل جزيء ترانسديوسين بدوره ينشط إنزيم الفوسوديستيراز. يتحلل إنزيم الفوسفوديستيراز هذا بأربعة آلاف ومائتي جزيء من cGMP في الثانية حيث أن إنزيم الفوسفوديستراز له عدد كبير من الدورات.

لا يستطيع الإنسان تخليق الشبكية لذا فإن فيتامين أ في النظام الغذائي ضروري للحفاظ على مستوى فيتامين أ فيه. يسبب نقص فيتامين أ الغذائي العمى الليلي. من المصادر الغنية بفيتامين أ الكبد (لحم البقر ، لحم الخنزير ، الدجاج ، الديك الرومي ، السمك) ، زيت كبد سمك القد ، الجزر ، أوراق البروكلي ، البطاطا الحلوة ، الزبدة ، السبانخ ، اليقطين ، الكرنب الأخضر ، جبن الشيدر ، الشمام البطيخ ، البيض ، المشمش بابايا ، مانجو ، بازلاء ، بروكلي و لبن

حول المؤلف / معلومات إضافية:

إخلاء مسؤولية هام: جميع المقالات الموجودة على هذا الموقع هي معلومات عامة فقط وليست نصيحة احترافية أو خبراء. لا نتحمل أي مسؤولية عن صحة أو صحة المعلومات الواردة في هذه المقالة ، أو أي خسارة أو إصابة ناتجة عن ذلك. نحن لا نصادق على هذه المقالات ، ولسنا تابعين لمؤلفي هذه المقالات ولسنا مسؤولين عن محتواها. يرجى الاطلاع على قسم إخلاء المسؤولية للحصول على الشروط الكاملة.


أنماط توصيل ONE-GC المميزة وزخارف الروائح: Uroguanylin و CO (2)

في مجموعة فرعية من الخلايا العصبية الحسية الشمية ، يعد ONE-GC ($) الغشائي محلقة غوانيلاتي مكونًا مركزيًا لاثنين من مسارات إشارات GMP الدورية المعتمدة على الرائحة. هذه الروائح هي uroguanylin و CO (2). صُممت الدراسة الحالية لفك رموز الاختلافات الكيميائية الحيوية والجزيئية بين آليتي إشارات الرائحة. تظهر الدراسة (1) على عكس uroguanylin ، فإن آلية تحويل ثاني أكسيد الكربون (2) هي Ca (2 +) - مستقلة. (2) موقع تحويل ثاني أكسيد الكربون (2) ، مثل موقع دلتا أوروجوانلين-نيوروكالسين ، موجود في المجال التحفيزي الأساسي ، aa 880-1028 ، من ONE-GC. (3) ومع ذلك ، لا يتداخل الموقع مع مجال تحويل إشارة دلتا نيوكالسين التوقيع ، (908) LSEPIE (913). أخيرًا ، (4) تنفي هذه الدراسة المفهوم السائد بأن ثاني أكسيد الكربون (2) يشير بشكل فريد إلى نشاط ONE-GC (Sun et al. [19] Guo et al. [21]). يوضح أنه يشير أيضًا إلى تنشيط غشاء مستقبلات الضوء غوانيلات محلقة ROS-GC1. تُظهر هذه النتائج آلية نقل جديدة إضافية لأغشية الغوانيلات الحلزونية وتوسع فهمنا للآليات الجزيئية التي يمكن من خلالها للرائحة المختلفة التي تستخدم محلقة غوانيلات واحدة تنظيم مسارات إشارات GMP الدورية المتنوعة.

حقوق النشر 2009 Elsevier Inc. جميع الحقوق محفوظة.

الأرقام

الشكل 1. تمثيل تخطيطي لـ ONE-GC و ...

الشكل 1. تمثيل تخطيطي لـ ONE-GC وبنيات التعبير الخاصة به

تشير الاختصارات التالية إلى ...

الشكل 2. Ca 2+ تحفيز مستقل لـ ...

الشكل 2. Ca 2+ التحفيز المستقل لـ ONE-GC بواسطة البيكربونات (A) و Ca 2+ - المعتمد ...

الشكل 3. بيكربونات ونوروكالسين δ الهدف ...

الشكل 3. بيكربونات ونوروكالسين δ استهداف مواقع مختلفة للمجال التحفيزي الأساسي ONE-GC


أين تقوم الخلايا العصبية الحسية الشمية بإسقاط محاورها؟

جهد الفعل الناتج عن ارتباط الروائح نتيجة انتقال شلال التنبيغ على طول محور العصبونات الحسية الشمية من الظهارة الشمية وتصل إلى البصلة الشمية. تتلاقى محاور جميع الخلايا العصبية الحسية الشمية التي تعبر عن مستقبلات رائحة معينة إلى وحدتين متشابكتين منفصلتين تشريحياً ، تسمى الكبيبات ، في البصلة الشمية. يوجد في الفئران

2000 كبيبة ، ويتم الحفاظ على توطينها تقريبًا بين الأفراد. لذلك فإن البصلة الشمية منظمة طبوغرافيًا ، حيث تمثل الكبيبات الفردية نوعًا واحدًا من مستقبلات الرائحة. تم إثبات تقارب محاور العصبونات الحسية الشمية التي تعبر عن مستقبلات الرائحة بشكل تجريبي بدقة أحادية المحور باستخدام الفئران المعدلة وراثيًا حيث تم ربط التعبير عن جين مستقبلات الرائحة المعين بالتعبير عن البروتين الفلوري الأخضر. لقد ثبت أن جميع محاور الخلايا العصبية التي تعبر عن مستقبلات الرائحة هذه وفقطها كانت تتقارب مع الكبيبات المستهدفة (14 ، 18).

يبدو أن كل نوع من مستقبلات الرائحة يشارك أيضًا في العملية التي تحافظ باستمرار على الاستهداف المحدد لمحاور العصبونات الحسية الشمية. في الواقع ، من المعروف جيدًا أن الخلايا العصبية الحسية الشمية تخضع لدورة من التنكس والتجدد كل بضعة أسابيع ، وبالتالي يحتاج تنظيم نظام حاسة الشم إلى إعادة التكوين في كثير من الأحيان (16).

بالإضافة إلى تحليل إسقاطات المحاور في البصلة الشمية ، تم إجراء تحليل وظيفي في العديد من المختبرات باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات التصوير ، مثل التصوير الجوهري ، ومؤشرات الكالسيوم ، والأصباغ الحساسة للجهد ، والرنين المغناطيسي الوظيفي. كما هو متوقع ، يتألف النشاط الناجم عن الروائح الفردية من تنشيط اندماجي للعديد من الكبيبات ، على غرار ما لوحظ في مستقبلات الرائحة. لذلك ، من الثابت الآن أن المعلومات المتعلقة بالرائحة يتم تمثيلها مكانيًا في البصلة الشمية (1 ، 6 ، 7 ، 15). اقترحت الدراسات الحديثة أن الجوانب الزمنية للاستجابات للروائح تلعب أيضًا دورًا مهمًا في الشم ، على الرغم من ضرورة إجراء مزيد من التحقيقات لفهم العلاقة بين الجوانب المكانية والزمانية.

في البصلة الشمية ، تتم أيضًا معالجة معقدة لمعلومات حاسة الشم. في الواقع ، تحتوي كل كبيبة على محاور لعدة آلاف من الخلايا العصبية الحسية الشمية (كل منها يعبر عن نفس مستقبل الرائحة) وتغصنات

50 خلية تاجية وخلايا معنقدة ، وهي الخلايا العصبية الرئيسية للمدخلات والمخرجات للبصلة الشمية. يتم تنشيط هذه الخلايا العصبية بواسطة الخلايا العصبية الحسية الشمية ، ولكن تتم معالجة معلومات الرائحة بشكل أكبر عن طريق نشاط الخلايا العصبية الداخلية المثبطة ، والخلايا المحيطة بالكبيبات ، والخلايا الحبيبية (10 ، 17).


ما هي الآلية الجزيئية لمسار إشارات تحويل الرائحة؟ - مادة الاحياء

يربط الترابط مستقبله من خلال عدد من الروابط غير التساهمية الضعيفة المحددة من خلال تركيبه في موقع ربط محدد أو "جيب".
في الحالات التي تؤدي فيها حتى التركيزات المنخفضة من ligand إلى ارتباط معظم المستقبلات المماثلة ، يعتبر تقارب المستقبلات مرتفعًا.
يحدث تقارب المستقبل المنخفض عندما يكون التركيز العالي للرابط مطلوبًا لمعظم المستقبلات التي يتم شغلها.
ثابت التفكك (Kd،) هو تركيز الترابط المطلوب لشغل نصف إجمالي المستقبلات المتاحة.
غالبًا ما يكون قياس ألفة المستقبلات في حدود 10-4 إلى 10-9 ملي مولار.

مع التعرض المطول للربيطة (واحتلال المستقبلات) ، غالبًا ما تصبح الخلايا غير حساسة.
يعتمد تحسس الخلية للرابط على تنظيم أسفل المستقبل من خلال أي منهما
1) إزالة المستقبل من سطح الخلية (الالتقام الخلوي بوساطة مستقبلات) أو
2) التغييرات في المستقبل التي تقلل من ألفة الترابط أو تجعلها غير قادرة على بدء التغييرات في الوظيفة الخلوية (مثل الفسفرة).
قد تؤدي إزالة التحسس إلى التحمل ، وهي ظاهرة تؤدي إلى فقدان الفعالية الطبية لبعض الأدوية التي يتم وصفها بإفراط.
ينشط ربط المستقبلات تسلسل "مبرمج مسبقًا" لأحداث تحويل الإشارة التي تستفيد من العمليات الخلوية الخاملة سابقًا.

بروتينات جي

البروتينات المرتبطة بـ GTP نشطة ، أما البروتينات المرتبطة بالناتج المحلي الإجمالي فهي ليست كذلك.
فئتا البروتينات G عبارة عن بروتينات G غير متجانسة كبيرة وبروتينات G أحادية صغيرة.
في بروتينات G غير المتجانسة (G alpha و beta و gamma) ، عندما يربط الرسول المستقبل المرتبط بالبروتين G ، يغير المستقبل شكله للسماح بربط البروتين G الثلاثي مع المستقبل.
تربط الوحدة الفرعية G-alpha نوكليوتيد الجوانين (الناتج المحلي الإجمالي أو GTP).
يتسبب هذا التفاعل في قيام الوحدة الفرعية G alpha بإصدار الناتج المحلي الإجمالي والتقاط GTP والانفصال عن المجمع.
اعتمادًا على بروتين G المعني ، إما مركب GTP-G alpha أو مركب G beta-G gamma أو كلاهما يربط البروتين (البروتينات) المستهدفة.
سيظل G alpha رسولًا نشطًا حتى يتم تحلل GTP بواسطة وحدة G alpha الفرعية (GTP -> GDP + Pi).
ثم يعاد ربط الناتج المحلي الإجمالي - G alpha "غير النشط" بمركب G-beta: G-gamma لإلغاء هذا المسار بسرعة عند إزالة إشارة التنبيه الأصلية.

توفر أعداد كبيرة من بروتينات G تنوعًا لأحداث تحويل الإشارة.
يرتبط بعضها بقنوات أيونات البوتاسيوم أو الكالسيوم في الناقلات العصبية.
البعض ينشط كينازات (إنزيمات فسفورية).
يتسبب بعضها في إطلاق أو تكوين رسل ثانٍ رئيسي مثل AMP الدوري (cAMP) وأيونات الكالسيوم.

cyclic AMP هو رسول ثانٍ تستخدمه فئة رئيسية من بروتينات G.
يتم إنشاء AMP الدوري (cAMP) بواسطة محلقة adenylyl المضمنة في غشاء البلازما مع النشاط الأنزيمي في السيتوبلازم.
يتم تنشيط Adenylyl cyclase عن طريق ربط وحدة ألفا فرعية نشطة من بروتين Gs G (GTP-Gs).
يحلل الفوسفوديستيراز cAMP بشكل متواصل ، لذلك في حالة عدم وجود ligand و G-Protein النشط ، يتم تقليل مستويات cAMP.
بروتين كيناز A (PKA) ، كيناز يعتمد على cAMP ، هو الهدف الرئيسي داخل الخلايا لـ cAMP.
يفسف PKA عدد من البروتينات التي تحمل الامتداد القصير الرئيسي للأحماض الأمينية ، موقع الفسفرة PKA (موقع PKA PO4).
ينقل PKA الفوسفات من ATP إلى سيرين أو ثريونين في موقع PKA PO4.
ينشط cAMP الوحدات الفرعية المحفزة عن طريق التسبب في إطلاق الوحدات الفرعية التنظيمية السلبية.

يتسبب تعطيل إشارات البروتين G في العديد من الأمراض التي تصيب الإنسان.
تفرز ضمة الكوليرا (التي تسبب الكوليرا) سم الكوليرا الذي يغير الملح والسوائل في الأمعاء التي تتحكم فيها عادة الهرمونات التي تنشط Gs G-Protein لزيادة cAMP.
يغير إنزيم سم الكوليرا Gs بشكل إنزيمي بحيث يصبح غير قادر على تحويل GTP إلى الناتج المحلي الإجمالي.
لا يمكن بعد ذلك تعطيل Gs وتظل مستويات cAMP مرتفعة مما يتسبب في إفراز الخلايا المعوية للملح والماء.
يمكن أن يؤدي الجفاف في النهاية إلى الوفاة (الكوليرا).

تستخدم العديد من بروتينات G إينوزيتول ثلاثي الفوسفات و diacylglycerol كمرسلين ثانيين للمستقبل المرتبط بالبروتين G.
يتم تنشيط Gp G-Protein بواسطة يجند يربط مستقبله المرتبط بالبروتين G لتنشيط phospholipase C.
يتم شق Phosphatidylinositol-4،5-bisphosphate (PIP2) بواسطة phospholipase C إلى جزيئين عصاري خلوي إينوزيتول -1،4،5 ثلاثي الفوسفات (InsP3) وغشاء مرتبط بغشاء diacylglycerol (DAG).
يرتبط مستقبل InsP3 ، وهو عبارة عن قناة كالسيوم محاطة برباط في الشبكة الإندوبلازمية ، بـ InsP3 ويتم إطلاق أيونات الكالسيوم في العصارة الخلوية.
يرتبط الكالسيوم بالبروتين المعروف باسم كالمودولين ، ويعمل مركب Ca-calodulin على تنشيط عدد من العمليات.
يظل DAG مرتبطًا بالغشاء وينشط بروتين كيناز C (PKC).

الكالسيوم كإشارة

على الرغم من أن البروتينات الأخرى تربط الكالسيوم للتحكم في النشاط ، وغالبًا ما ترتبط ببروتين كالودولين ، لتشكيل مركب كالسيوم كالودولين ، فهي خطوة وسيطة.
عند وجود أيونات الكالسيوم ، يربط اثنان كل طرف كروي (4 في المجموع) ، ثم تغير منطقة الذراع الحلزونية الشكل (المركب النشط) ثم تلتف حول
موقع ربط الكالودولين للبروتينات المستهدفة.
هذه غالبًا ما تكون كينازات البروتين وفوسفاتازات البروتين التي تختلف اعتمادًا على الخلية المستهدفة (الخلايا المختلفة لها استجابات مختلفة).

يكشف إخصاب بيض الحيوانات عن مثال مهم على نقل الإشارات بوساطة الكالسيوم بعد تفاعل مستقبلات ليجند.
في البداية يربط الحيوان المنوي سطح البويضة عند الغشاء وفي غضون 30 ثانية ، تنتشر موجة من إطلاق الكالسيوم من موقع ملامسة الحيوانات المنوية.
حدثان رئيسيان في الإخصاب يعتمدان على إطلاق الكالسيوم.
1) يحفز الكالسيوم اندماج الحبيبات القشرية مع غشاء بلازما البيض لتغيير الغلاف المحيط بالبويضة للمساعدة في منع ارتباط خلية منوية أخرى بالبويضة (كتلة بطيئة لتعدد الحيوانات المنوية).
2) الكالسيوم يبدأ تنشيط البيض ، واستئناف عمليات التمثيل الغذائي.

أكسيد النيتريك كإشارة

كينازات مستقبلات التيروزين

يمكن أن تبدأ كينازات التيروزين المستقبلة سلسلة تحويل إشارة كيناز Ras / MAP
ترتبط المواقع المحتوية على الفوسفوتيروزين بالبروتينات المحتوية على SH2 مما يؤدي إلى تنشيط Ras ، وهو بروتين G أحادي صغير.
بمجرد أن يتم تكوين الفسفرة الذاتية لمستقبل عامل نمو البشرة (EGFR) استجابةً لرابط EGF ، فإن مركب GRB2 (يحتوي على مجال SH2) و Sos (بروتين إطلاق الجوانين النوكليوتيد: GNRP) يربط المستقبل.
وبالتالي يتم تنشيط Sos لجعل Ras يطلق الناتج المحلي الإجمالي الذي يسمح لـ Ras بربط GTP الجديد ويصبح نشطًا.
بمجرد تنشيطه ، يطلق Ras سلسلة (مسار Ras) تتضمن كينازات البروتين المنشط بالميتوجين (MAPKs).
ملحوظة: الميثوجين هو إشارة عامل النمو.
تنشط كينازات التيروزين المستقبلة مجموعة متنوعة من مسارات الإشارة
يمكن لـ RTK تنشيط شكل من أشكال إنزيم phophlipase C و phosphatidylinositol-3- كيناز (PI3K).

عوامل النمو

يمكن أن يكون لاضطراب إشارات عامل النمو من خلال مستقبلات كينازات التيروزين تأثيرات كبيرة على التطور الجنيني.
تعمل عوامل نمو الأرومة الليفية (FGFs) ومستقبلات عامل نمو الأرومة الليفية (FGFRs) في كل من الإشارات الجنينية والبالغة.
تعتبر FGFRs مهمة في تطوير الأديم المتوسط ​​، وهو النسيج الجنيني الذي يتحول في النهاية إلى عضلات وغضاريف وعظام وخلايا دم.
المستقبِل الطافر الذي له تأثير مثبط مهيمن على النشاط الطبيعي ، بسبب التباين مع الإصدارات العادية من FGFR ، هو طفرة سلبية سائدة (dn).
تتسبب نسخة متحولة من الحمض النووي الريبي من FGFR mRNA التي يتم حقنها في بيض الضفادع في فشل أنسجة الأديم المتوسط ​​في التطور وتنتج الضفادع الصغيرة برؤوس ولكن بدون أجسام.
في البشر ، تؤدي العيوب في FGFR إلى التقزم (القزامة) وخلل التنسج الحادة تشوهات العظام الشديدة (مميتة في مرحلة الطفولة).

تعمل مستقبلات سيرين / ثريونين كيناز على فسفوريلات كل من بقايا السيرين والثريونين (وليس التيروزين) وتعمل على تحويل أنواع أخرى من إشارات عامل النمو.
ينتج عن تحويل عامل النمو بيتا (TGF & szlig) الارتباط بالمستقبلات تجميع مستقبلات النوع الأول والنوع الثاني من TGF & szlig.
يتم تصنيف مستقبلات النوع الأول بواسطة مستقبلات النوع الثاني.
المنشط من النوع الأول مستقبلات الفوسفوريلات SMADs بوساطة مستقبلات محددة.
ترتبط SMADs النشطة بوساطة المستقبلات بـ SMADs المشتركة وتدخل النواة للتفاعل مع بروتينات ربط الحمض النووي لتنظيم التعبير الجيني.

الهرمونات

يمكن تصنيف الإشارات الهرمونية من خلال المسافة التي تقطعها للوصول إلى الخلايا المستهدفة.
ينتقل هرمون الغدد الصماء عبر الدورة الدموية ويعمل هرمون الباراكرين فقط بالقرب من الخلايا.
هرمون الباراكرين يساوي تقريبًا عامل النمو.
تفرز أنسجة الغدد الصماء مباشرة في مجرى الدم والأنسجة الخارجية في القنوات لنقل الإفرازات إلى أجزاء أخرى من الجسم.
يحتوي البنكرياس على وظائف الغدد الصماء (الأنسولين والجلوكاجون) والباراكرين (إنزيمات الجهاز الهضمي).
بمجرد دخولها إلى الجهاز الدوري ، ستصل هرمونات الغدد الصماء في النهاية إلى الأنسجة المستهدفة مثل القلب والكبد (الإبينفرين) أو الكبد وعضلات الهيكل العظمي (الأنسولين).
في الأنسجة المستهدفة ، يمكن للتأثيرات داخل الخلايا ، مثل تنشيط مسار cAMP ، التحكم في عدد من وظائف الخلية.
ومن الأمثلة على ذلك ، ارتباط الإبينفرين بمستقبلات بيتا الأدرينالية ، وتفعيل PKA لإحداث تحفيز لانهيار الجليكوجين.

ينشط الأنسولين مجموعة واسعة من التأثيرات داخل الخلايا عن طريق الفسفرة بواسطة مركب مستقبلات الأنسولين من ركائزه IRS.
وهذا بدوره يؤدي إلى تنشيط 1) مسار Ras-MAPK و 2) مسار PI3K / akt kinase الذي ينشط (ويعطل) عددًا من البروتينات.

الخصائص الكيميائية للهرمونات الحيوانية
هناك أربع (4) فئات من هرمونات الغدد الصماء.
1) مشتقات الأحماض الأمينية (الإبينفرين)
2) الببتيدات (الهرمون المضاد لإدرار البول [فاسوبريسين])
3) البروتينات (الأنسولين)
4) الهرمونات الشبيهة بالدهون بما في ذلك المنشطات (التستوستيرون)
تشمل هرمونات باراكرين الهيستامين (أحد مشتقات الهيستينات) والبروستاجلاندين (مشتقات حمض الأراكيدونيك).


الآليات الجزيئية لاكتشاف حاسة الشم في الحشرات: ما وراء المستقبلات

تزدهر الحشرات في منافذ بيئية متنوعة إلى حد كبير بسبب أنظمتها الشمية المتطورة للغاية. على مدى العقدين الماضيين ، كان التركيز الرئيسي في دراسة شم الحشرات على دور المستقبلات الشمية في التوسط في الاستجابات العصبية للمواد الكيميائية البيئية. في الجسم الحي، تعمل هذه المستقبلات في هياكل متخصصة ، تسمى الحسيات ، والتي تتكون من الخلايا العصبية وخلايا الدعم غير العصبية ، والسائل الليمفاوي خارج الخلية وشكل دقيق الشكل. في حين أن الحسية متأصلة في استشعار الرائحة في الحشرات ، إلا أننا بدأنا للتو في فهم بنائها ووظيفتها. هنا ، نراجع العمل الأخير الذي يوضح كيفية تأثر النشاط العصبي الناجم عن الرائحة بالتشكل الحسي ، والكيمياء الحيوية للسائل الليمفاوي ، وجزيئات الإشارات الإضافية في الخلايا العصبية ، والتداخل الفسيولوجي بين الخلايا الحسية. تكشف هذه التطورات عن آليات جزيئية وخلوية متعددة الطبقات تحدد الانتقائية والحساسية والتعديل الديناميكي للاستجابات التي تثيرها الرائحة في الحشرات.

1 المقدمة

تعتبر الحشرات واحدة من أكثر فئات حقيقيات النوى نجاحًا على الأرض ، وتشكل ما يقرب من نصف جميع الأنواع الأرضية [1]. يشغلون مجموعة متنوعة بشكل لا يصدق من الموائل ، بما في ذلك الغابات الاستوائية والصحاري والأطراف في المناطق القطبية. تمارس العديد من الأنواع تأثيرًا مهمًا على صحة الإنسان من خلال دورها كناقلات للأمراض [2] ، وملقحات المحاصيل [3] والآفات الزراعية [4]. تعتمد القدرة البيئية للحشرات ، جزئيًا ، على أنظمتها الشمية المتطورة ، والتي تسمح بالكشف والاستجابة للإشارات المتطايرة التي لا حصر لها في البيئة.

دراسات الجوانب التشريحية والفسيولوجية والسلوكية لشم الحشرات لها تاريخ طويل في القرن العشرين ، باستخدام نماذج متنوعة للأنواع [5]. على مدى العقدين الماضيين ، كان هناك تركيز خاص على تحديد وتوصيف المستقبلات الشمية [6-8] ، بالإضافة إلى الدوائر العصبية التي يتم التعبير عنها والسلوكيات التي تتحكم فيها الرائحة [9،10] ، ولا سيما في ذبابة الفاكهة سوداء البطن. هناك فئتان رئيسيتان من المستقبلات الشمية للحشرات: مستقبلات الرائحة (ORs) [11،12] ومستقبلات التأين (IRs) [13]. ORs هي عائلة من سبع قنوات أيون عبر الغشاء ، في حين أن الـ IRs عبارة عن بروتينات غشائية ثلاثية التمريرات مرتبطة بشكل بعيد بمستقبلات الغلوتامات المشبكية (iGluRs) [6-8 ، 14]. تعبر معظم الخلايا العصبية الحسية الشمية (OSN) عن نوعين مختلفين من ORs أو IRs: مستقبل "ضبط" فريد يتعرف على مجموعة من الروابط أو الروائح ، ومستقبل مشترك (ORCO لـ ORs ، وإما IR8a أو IR25a لـ IRs). لا يُعرف عن هذه المستقبلات المشتركة أنها تتعرف على أي ترابطات تحدث بشكل طبيعي ، ولكنها تشكل مجمعات غير متجانسة مع مستقبلات ضبط لتمكين استهداف الأهداب الحسية وإشاراتها [15-17].

على الرغم من أن كلا من ORs و IRs - كقنوات أيونية ذات رائحة - كافيان نظريًا لترجمة وجود الرائحة إلى إزالة استقطاب الأغشية الخلوية ، إلا أنها تعمل ضمن بنى حسية معقدة تسمى الحسية (الشكل 1)أ) [21]. تظهر الحسية على شكل نتوءات شبيهة بالشعر على السطح الخارجي للأعضاء الشمية للحشرات ، قرون الاستشعار وملامس الفك العلوي. يغطي كل شعور مجموعة نمطية من OSNs (حتى أربعة بوصات D. melanogaster) ، محاطًا بخلايا دعم غير عصبية مختلفة. يتم وضع التشعبات الهدبية لـ OSNs ، حيث يتم توطين المستقبلات الشمية ، داخل العمود المسامي للحساسية ويتم غمرها في السائل الليمفاوي. يسمح هذا التنظيم للأغشية الحسية العصبية بأن تكون على مقربة من بيئة الرائحة ولكنها محمية من التلف المادي.

الشكل 1. التشكل الحسي الشمي للحشرات. (أ) تمثيل تخطيطي للحس الشمي (انظر النص للحصول على التفاصيل). أقحم: صور المجهر الإلكتروني التمثيلية للفئات المورفولوجية الرئيسية للحس الشمي ، هنا من D. melanogaster الهوائيات (مقتبس من [18]). (ب) صورة بالمجهر الإلكتروني لحساس الشعيرات من ب. موري [19]. (ج) صورة بالمجهر الإلكتروني لـ a D. melanogaster المحسس الشعري (at4) أعد باستخدام طريقة CryoChem وتم تصويره باستخدام كتلة تلطيخ المعادن الثقيلة (مقتبس من [20]).

هنا ، نراجع التحقيقات الحديثة في تطور الحسية الشمية ، وتشكلها ، والكيمياء الحيوية ، وعلم وظائف الأعضاء ، بالإضافة إلى بعض الأمثلة ذات الصلة من الحسية الكيميائية الحسية المماثلة التي تتوسط إدراك الذوق في الحشرات [22]. تسلط هذه التطورات الضوء على أن عملية الكشف الكيميائي تعتمد على أكثر بكثير من المستقبلات وحدها.

2. مورفولوجيا وبيولوجيا الخلية للحسية الشمية

توجد العديد من الأنواع الحسية (على سبيل المثال ، القاعدية ، والشعرية ، والملفوفة) ، والتي تتميز بالعديد من الخصائص المورفولوجية: الطول ، والعرض ، وسمك البشرة ، وعدد وحجم المسام (التي تمر من خلالها المواد الكيميائية) ، وتعقيد الأهداب المتفرعة (الشكل 1)أ) [21]. غالبًا ما تكون شبكات OSN في الفئات الحسية المختلفة متخصصة في الكشف عن أنواع معينة من الروائح ، على سبيل المثال ، الخلايا العصبية الحسية المشعرة مطلوبة للكشف عن فرمون ، في حين أن الخلايا العصبية الحسية الأساسية في الغالب تكتشف الروائح المشتقة من الطعام [9]. تشير هذه العلاقة الوظيفية ، جنبًا إلى جنب مع الحفاظ على الأنواع الحسية عبر معظم الحشرات ، إلى أن هذه الخصائص المورفولوجية مهمة لأدوارها في اكتشاف الرائحة.

يمثل السطح الحسي أول نقطة اتصال بين جزيء الرائحة والجهاز الحسي. على هذا النحو ، سعت الجهود المبكرة إلى وصف تفصيلي للتشكل الحسي الخارجي باستخدام المجهر الإلكتروني (EM) [21]. تم توسيع هذه الدراسات مؤخرًا من خلال الجمع بين الفحص المجهري للقوة الذرية عالي الدقة (AFM) والنمذجة الحسابية لسلوك جزيء الرائحة بالقرب من المحس [23 ، 24]. كشفت EM و AFM أن إحساس المشعرات لثلاثة أنواع مختلفة من العثة - دودة أذن الذرة (هيليكوفيربا زيا) عثة بيلا (Utethesia ornatrix) وعثة الحرير (بومبيكس موري) - مغطاة بسلسلة من المسام والحواف (الشكل 1ب) [19 ، 23 ، 24]. في ب. موري، تم استخدام هذه البيانات المورفولوجية لتشغيل عمليات المحاكاة الهوائية على السطح الحسي. اقترحت هذه التحليلات أن النتوءات تساعد في تكوين دوامات صغيرة يمكن أن تسهل إيصال جزيئات الفرمون إلى المسام الحسية [24]. قد تساعد مثل هذه المحاكاة في تفسير الملاحظات المفاجئة للعمل المبكر باستخدام الفيرومونات ذات العلامات الإشعاعية ، والتي قدرت أن ما يقرب من 25 ٪ من جزيئات الفرمون الممتصة على السطح الحسي تنشط OSNs [25] ، وهي كفاءة أعلى من تلك المتوقعة من خلال النظر في أبعاد تدفق الهواء والمسام وحدها [24]. نظرت مناهج النمذجة الأخرى في الديناميكا الهوائية للرائحة في سياق أعضاء حاسة الشم بأكملها [26] ، والتي تُظهر تنوعًا مورفولوجيًا كبيرًا عبر الأنواع [27]. على سبيل المثال ، تشتمل العديد من هوائيات العثة على مصفوفات من الحسية على طول فروع قرون الاستشعار المتعددة والمتوازية ، وهي منظمة من المحتمل أن تزيد من حجم الهواء المنخل لاكتشاف الكميات الدقيقة من الفيرومونات [27].

يعتمد تكوين البشرة الحساسة على خلايا الدعم غير العصبية ، التي تفرز الجزيئات الكبيرة المكونة لها ، ولا سيما الكيتين والمكونات البروتينية [21]. تتشكل مناطق مختلفة من الشعر من أنواع مختلفة من الخلايا الداعمة ، والتي تحصل منها على أسمائها: thecogen (خلية غمد) ، trichogen (خلية رمح) و tormogen (خلية تجويف) [21]. كيف يتم تحديد بنية البشرة الحساسة الدقيقة غير معروف إلى حد كبير ، ولكن العمل الأخير في D. melanogaster قدمت رؤى مهمة حول تكوين المسام في العمود ، على الأقل في الحس الأساسي لجس الفك العلوي. كشف انتقال EM أنه أثناء تطور المحسس الأساسي ، يمتد trichogen من السطح الخارجي للظهارة ويطور تموجات في غشاء البلازما حيث تفرز طبقة غلاف البشرة [28]. ترتبط المناطق الرقيقة جدًا في هذا الظرف والتي تتشكل بين نتوءات غشاء البلازما بالمكان الذي تتطور فيه المسام. فحص الجينات المعبر عنها تحديدًا في trichogen أثناء التطور ، جنبًا إلى جنب مع الاختبار الوظيفي القائم على تداخل RNA (RNAi) ، حدد بروتين الغشاء Osiris 23 / Gore-tex (Osi23) كمساهم مهم في هذه العملية في هذه الفئة الحسية [28] . أدى فقدان Osi23 إلى اختفاء تموجات غشاء البلازما ، مما أدى إلى تكوين سطح حسي يفتقر إلى المسام وبالتالي تقل استجابات الخلايا العصبية للروائح بشكل كبير [28]. يتحول Osi23 إلى الإندوسومات ، لكن كيفية تأثيره على شكل غشاء البلازما غير معروف. ومن المثير للاهتمام ، أن أفراد عائلة Osi يتم التعبير عنهم في خلايا إفراز بشرة في أماكن أخرى من الذبابة (مثل تلك التي تبطن القصبة الهوائية) ، مما يشير إلى دور مشترك لعائلة البروتين الخاصة بالحشرة في تشكيل الهياكل الجلدية [28].

نقطة الاتصال الرئيسية الثانية للروائح هي أغشية الأهداب حيث توجد المستقبلات الشمية. في حين أن بناء أهداب OSN واستهداف المستقبلات لهذه المقصورة من المرجح أن يعتمد على مسار النقل المحمي داخل السجيل والذي يعد مركزيًا لتجميع أنواع أخرى من الأهداب [29،30] ، ظهرت منظمات جزيئية إضافية محتملة لهذه العمليات من عكس وأمام الدراسات الجينية في D. melanogaster. على سبيل المثال ، مستوحى من العلاقة الحميمة بين وظيفة الأهداب وإشارات القنفذ في الفقاريات [31] ، كشف تحليل OSNs التي تفتقر إلى المكونات المختلفة لهذا المسار في الذباب عن مساهمة في توطين الأهداب الفعال لـ ORs والاستجابات القوية التي تثيرها الرائحة [32] . بشكل غير متوقع ، يبدو أن توطين المستقبل المشترك ORCO غير حساس لفقدان مسار القنفذ. تشير هذه الملاحظة إلى أن إشارات القنفذ مطلوبة لتجميع مجمعات OR / ORCO و / أو أن وحدات ORCO الفرعية وحدها يمكنها استخدام مسار نقل مستقل إلى الأهداب.

الشاشات الجينية غير المتحيزة في D. melanogaster كشف متطلبًا لمتماثل ناقل الدهون ، ATP8B ، في استجابات تثير الرائحة للعديد من فئات OSN ، بما في ذلك تلك التي تعبر عن OR67d ، وهو مستقبل للجنس وفرمون التجميع 11-رابطة الدول المستقلة لقاح خلات (cVA) [33،34]. يتم التعبير عن ATP8B ومطلوب في OSNs وترجمته إلى التشعبات الهدبية. ينتمي الناقل إلى عائلة ATPase من النوع P4 ، والتي يُعتقد أنها تقلب aminophospholipids (مثل phosphatidylserine) بين منشورات الغشاء. تفشل نسخة غير نشطة إنزيمية متوقعة من ATP8B في إنقاذ النمط الظاهري المتحور ، في حين أن متماثل الثدييات يمكن أن يكمل العيب ، مما يشير إلى أن وظيفة الليبيد flippase مهمة لدورها في OSNs. كيف تؤثر تركيبة الدهون أو إشارات غير واضحة. اقترح أحد التقارير دورًا في تهريب OR إلى الأهداب ، بناءً على ملاحظات انخفاض مستويات OR67d في أهداب ATP8B الحيوانات الطافرة [33]. ومع ذلك ، لم تجد دراسة أخرى أي خلل في توطين OR22a عند خروج المغلوب ATP8B [34]. يمكن أن يعكس هذا التناقض الاختلافات في تأثير وظيفة ATP8B على ORs مميزة في أنواع حساسة مختلفة ، أو الصعوبة المتأصلة في تحديد مستويات البروتين بشكل موثوق في أهداب OSN. من الممكن أيضًا أن يؤثر تكوين الدهون على شكل الأهداب و / أو الوظيفة الحادة لهذه القنوات الأيونية ، كما هو الحال في السياقات البيولوجية الأخرى [35 ، 36].

عائق كبير لربط ميزات البنية التحتية للحساسية بالمكونات الجزيئية هو صعوبة استخدام طرق وضع العلامات القياسية EM. في الأنسجة الأخرى ، سهلت التقنيات التي تجمع بين الكهرومغناطيسي والتوسيم الجيني تكامل المعلومات المورفولوجية والجزيئية [37-39]. على سبيل المثال ، يمكن التعبير عن إنزيم مؤكسد للديامينوبنزدين (DAB) في أنسجة أو عضيات محددة ، حيث يتم تصور موقعه لاحقًا عن طريق تلطيخ DAB المؤكسد باستخدام رباعي أكسيد الأوزميوم القابل للاكتشاف بالإلكترون (OsO).4) [20،40-44]. ومع ذلك ، فإن الحفاظ على البنية التحتية للأنسجة خلال OsO4 يتطلب التلوين تثبيتًا كيميائيًا أو تثبيتًا بالتبريد [45]. لم يتم تطبيق أي من طرق التثبيت هذه بسهولة على الإحساس لأن البشرة غير منفذة للمثبتات الكيميائية ، كما أن التثبيت بالتبريد يحول دون وضع العلامات باستخدام إنزيمات مؤكسدة DAB ، مما يقلل بشدة من فائدتها.

تمت معالجة هذا التحدي مؤخرًا من خلال تطوير طريقة "CryoChem" ، حيث يتم إعادة ترطيب العينات بعد التثبيت بالتبريد والتجميد بالضغط العالي [20]. يحافظ هذا العلاج على البنية التحتية الحسية ويخلق بيئة نسيجية قابلة للبروتين الفلوري ووظيفة APEX2 (بروتين ملصق DAB) ، وكذلك كتلة تلطيخ المعادن الثقيلة (الشكل 1ج) [20]. تم استخدام CryoChem في D. melanogaster لإنشاء عمليات إعادة بناء ثلاثية الأبعاد للعديد من OSNs المميزة والمميزة وراثياً بحس مختلفة عن طريق المسح التسلسلي للوجه الكتلي EM [20،46]. توفر هذه الملاحظات رؤى مفيدة للعلاقة بين تشريح OSN وعلم وظائف الأعضاء الشمي ، كما هو موضح أدناه.

تؤكد هذه الدراسات معًا على ثروة التفاصيل البيولوجية للخلية التي لا يزال يتعين اكتشافها في الحواس. حتى عندما يتم تحديد البروتينات الضرورية لتشكيل الحسية من خلال الأساليب الجينية ، يمكن أن تظل آلية عملها غير واضحة [28 ، 47 ، 48]. يتطلب المزيد من التقدم كلاً من التطوير التقني المستمر لتصور البنية التحتية الدقيقة للبشرة والأغشية للحساسية والتوصيف الآلي والتطور لوظيفة البروتين في كل من OSNs والخلايا الداعمة.

3. بروتينات غير مستقبلية في مسارات الإشارات الشمية

المستقبلات الشمية هي الوسطاء المركزيون للاستجابات العصبية التي تثيرها الرائحة ، وغالبًا (ولكن ليس دائمًا) كافية لمنح الاستقطاب الغشائي الناجم عن الترابط في أنواع الخلايا غير المتجانسة. ومع ذلك ، فإن الإشارات الشمية في السياق الأصلي تعتمد على تفاعلات الروائح مع العديد من الجزيئات الأخرى ، وكذلك تنظيم وظيفة المستقبل (الشكل 2).

الشكل 2. بروتينات غير مستقبلية تشارك في الإشارات الشمية. رسم تخطيطي يصور فئات مختلفة من البروتينات التي تعمل مع OR في نقل إشارة الفرمون (انظر النص للحصول على التفاصيل). لا يزال المسار (المسارات) الدقيق والتفاعلات الجزيئية لجزيئات الفرمون داخل المحسس غير معروف.

بعد دخول المحسّ ، يجب أن تنتشر الروائح من خلال اللمف الحسي ، وهو خليط أيوني مائي غني بالبروتينات المفرزة والبروتيوغليكان [49]. يعتمد معدل وكفاءة الروائح التي يمكن أن تنتقل بها إلى المستشعر وعبر اللمف للوصول إلى غشاء OSN على كل من الخصائص الفيزيائية والكيميائية للروائح نفسها [50،51] وتفاعلها مع البروتينات في الليمف. من بين البروتينات الليمفاوية ، تعتبر البروتينات الرابطة للرائحة (OBPs) هي الأكثر دراسة جيدًا ، على الرغم من أن وظيفتها تظل غامضة [52]. يتم التعبير عن أعضاء هذه العائلة من البروتينات الصغيرة المفرزة بواسطة خلايا الدعم الحسي في أنواع حسية محددة ، ولكن متداخلة في كثير من الأحيان [53]. في المختبر، يمكن أن تربط OBP عددًا كبيرًا من الروائح بدرجات متفاوتة من الخصوصية وتخضع لتغييرات مطابقة عند ربط الترابط [52،54]. يتمثل النموذج التاريخي لوظيفة OBP في أنها ترتبط بالرابطات الكارهة للماء وتنقلها عبر السائل الليمفاوي إلى OSN هنا ، وتطلق الرائحة إلى المستقبلات ، والتي ربما تكون ناجمة عن الاختلافات المحلية في الأس الهيدروجيني بالقرب من أغشية الأهداب أو من خلال التفاعلات الافتراضية لـ OBPs مع بروتينات غشاء الأهداب [54]. بيانات من الدراسات على أنظمة إشارات الفرمون في كليهما D. melanogaster والعث يتوافق بشكل عام مع هذا النموذج ، ولكن العمل الأخير مع OBPs الأخرى ليس [52] ، كما نناقش أدناه.

في D. melanogaster ، مطلوب OBP LUSH (المعروف أيضًا باسم OBP76a) للاستجابات الكهربية والسلوكية للفرمون cVA [55]. يمكن أن تثير التركيزات فوق الفسيولوجية للفرمون بعض النشاط العصبي [56] ، مما يشير إلى أنه بينما قد يلعب LUSH دورًا في توصيل cVA للمستقبل المشابه (OR67d) ، فإنه ليس جزءًا لا يتجزأ من آلية نقل الإشارة. حديث في الجسم الحي أسفر العمل في العث عن نتائج مماثلة ، مع الضربة القاضية الجينية أو الضربة القاضية لـ OBPs المرتبطة بالفيرومون مما أدى إلى انخفاض بنسبة 20-60 ٪ في النشاط الكهربائي العالمي المستحث بالفيرومون [57-63] وانخفاض مماثل في الاستجابات السلوكية [57،59،61 ،63]. كانت الأنماط الظاهرية الأكثر تواضعًا التي لوحظت في العث بالنسبة لتلك الموجودة في D. melanogaster قد يكون راجعا إلى الاختلافات المنهجية لهذه الدراسات ، ولكن يمكن أن تعكس أيضا التكرار الوظيفي بين OBPs العثة المعبر عنها بشكل مشترك [57].

على النقيض من OBPs المتفاعل مع الفرمون ، فإن تحليل أفراد الأسرة المعبر عنه في الأنواع الحسية الأخرى في D. melanogaster كشفت عن أدوار أكثر دقة ، وأحيانًا غير متوقعة. أدى فقدان OBP28a في فئة حسية أساسية واحدة (ab8) إلى زيادة الاستجابات الفسيولوجية للروائح [53] ، مما يشير إلى دور في السيطرة على النشاط الذي تثيره الرائحة. ومع ذلك ، يتم التعبير عن OBP28a في العديد من الفئات الحسية الأخرى (والتي ، على عكس ab8 ، تعبر عن OBPs وفيرة إضافية) ، وقد تقلصت استجابات هذه الحواس للروائح الأخرى بشكل طفيف في Obp28a المسوخ [64]. بعض OBPs زائدة عن الحاجة وظيفيًا: فقد أدى الفقد المتزامن لـ OBP83a و OBP83b المعبر عنه بشكل مشترك إلى تعطيل الاستجابات العصبية المتأخرة بعد إزالة الرائحة لمجموعة فرعية من OSNs بشكل مهم ، تم إنقاذ هذا النمط الظاهري من خلال إعادة التعبير عن أي بروتين فردي [65] ]. في العديد من الحالات ، ظلت وظيفة OBP بعيدة المنال: أظهر التعبير الشامل والتحليل الطفري لـ OBPs في ست فئات أساسية للحواس أن الفقد المتزامن لجميع البروتينات داخل إحساس معين لم يكن له أي تأثير أو تأثير طفيف جدًا على استجابات OSN لمنبهات الرائحة ، والتي امتدت إلى فئات كيميائية متنوعة ، ونطاق تركيز واسع وديناميكيات زمنية متنوعة [66]. من الممكن أن تعمل هذه البروتينات فقط في سياقات بيولوجية معينة ، كما تم اقتراحه في OBP69a ، الذي يتم تعديل تعبيره في الإحساس بالفيرومون من خلال التفاعلات الاجتماعية للذباب [67].

تشير هذه النتائج معًا إلى أن OBPs لها أدوار متنوعة خاصة بالرائحة وعصبية / مستقبلات محددة ، على الرغم من أن الآليات الكيميائية الحيوية لا تزال غير واضحة على أي حال. يمكن أن تعمل هذه البروتينات كمغسلة لبعض الروائح ، مما يقلل من إشارات الخلفية عن طريق منع المواد الكيميائية الأقل صلة بالبيئة من القدرة على الوصول إلى المستقبلات. بدلاً من ذلك ، يمكنهم إزالة الروابط بعد التحفيز الأولي للحفاظ على الاتصال الزمني بين المواجهة مع الرائحة والنشاط العصبي. يمكن أن تساهم أيضًا عن طريق ربط الجزيئات الليمفاوية الذاتية: على سبيل المثال ، يتم التعبير عن OBP59a في حس بلا مسام ظاهريًا في الهوائي وهو ضروري للسلوكيات الحسية للرطوبة في D. melanogaster، طريقة حسية قد لا تعتمد على ارتباط الجزيئات الخارجية [68]. أثناء توصيل قدرة OBPs على ربط الروابط في المختبر مع وظائفهم الفسيولوجية والسلوكية في الجسم الحي لا يزال يمثل تحديًا كبيرًا ، فإن إدراك أنه قد لا تكون هناك وظيفة عالمية لهذه العائلة البروتينية قد يساعد الباحثين على الحفاظ على عقل متفتح في الاستكشافات المستقبلية.

تشمل البروتينات الأخرى القابلة للذوبان في اللمف الحسي البروتينات الحسية الكيميائية (CSPs) [69،70] ، متماثلات Niemann Pick-type C2 (NPC2) [71-76] والإنزيمات المهينة للرائحة (ODEs) [77]. تربط متماثلات CSPs و NPC2 عددًا لا يحصى من المركبات الصغيرة في المختبر [70،71،73،75] ، لكنهم في الجسم الحي وظائف غير معروفة تماما تقريبا. قد لا تكون بعض المساهمات بالضرورة مرتبطة بالكشف الحسي: العمل الأخير في بعوضة الملاريا (أنوفيليس غامبيا) يوضح أن المتغيرات الجينية لـ CSP SAP2 المخصب بالأرجل تمنح مقاومة مبيدات الحشرات [78]. تشير هذه الملاحظات إلى أن CSP يعمل في عزل / إزالة السموم من المواد الكيميائية البيئية التي تدخل الجسم من خلال الحسية الكيميائية الحسية على هذه الملاحق.

يُعتقد أن ODE يحلل جزيئات الرائحة في اللمف الحسي [77] ، مما قد يقلل من نشاط الخلايا العصبية في الخلفية و / أو ينظم الديناميكيات الزمنية التي تثيرها الرائحة. كانت أول ODEs التي تم الإبلاغ عنها أعضاء في عائلة إستراز خاصة بقرون الاستشعار [77،79]. اكتشف العمل على مدى العقدين الماضيين فئات أخرى من المعادلات التوضيحية المفترضة ، بما في ذلك بعض السيتوكروم P450s المرتبط بالغشاء [80-84]. أفضل دراسة في ODE هي D. melanogaster استراز 6 وتضاعف هرمون إستراز للأحداث [85] ، والتي تطورت من أسلاف هرمون الأحداث استيراز تقويم العظام [86]. هذه الإنزيمات لا تحلل هرمون الأحداث ، بل تكسر الإسترات المتطايرة [85،87–89]. على الرغم من أن المساهمات الدقيقة لهذه العناصر وغيرها في الاستجابات والسلوك العصبوني الذي تثيره الرائحة لا تزال غير واضحة [87-90] ، يبدو أن فقدان تضاعف هرمون استريز الأحداث يسبب انخفاضًا طفيفًا في الاستجابات الشمية والسلوكية لإسترات الفاكهة [89].

بالإضافة إلى الجزيئات التي تفرزها الخلايا الداعمة ، قد تساهم البروتينات الموجودة في أغشية هذه الخلايا في إرسال الإشارات الشمية. في D. melanogaster، يُعتقد أن ناقلة الأمونيوم Amt يتم التعبير عنها حصريًا في الخلايا الداعمة لفئة المحسّات coeloconic التي تضم عصبونًا مستشعرًا للأمونيا [48]. كشف التحليل الجيني أن فقدان Amt يؤدي إلى تناقص كبير في الاستجابات لتحفيز الأمونيا [48]. ال ألف غامبيا وظائف تقويم العظام AMT كناقل للأمونيا في المختبر [91] ، ولكن من غير الواضح بالضبط كيف يمكن لهذا النشاط أن يساهم في اكتشاف حاسة الشم في الجسم الحي. إحدى الفرضيات هي أن Amt ينقل الأمونيا من اللمف لخفض التركيز الأساسي لهذه المادة الكيميائية بالقرب من التشعبات OSN ، مما يساعد على تقليل التكيف المنشط للخلايا العصبية المستشعرة للأمونيا [48]. ومع ذلك ، هناك تحليل حديث لـ A. غامبيا Amt باستخدام أدوات معدلة وراثيًا يشير إلى أن هذا الجين يتم التعبير عنه في كل من الخلايا الداعمة و OSNs [92] ، مما يثير تساؤلات حول موقع (مواقع) الخلوية للعمل. بغض النظر عن الآلية الدقيقة ، يمثل Amt حالة مثيرة للاهتمام حيث يمكن أن يؤثر ناقل الغشاء المتكامل بشكل مباشر على اكتشاف حاسة الشم. يتم التعبير عن العديد من بروتينات النقل المفترضة الأخرى غير المميزة في الهوائي [48] ، وسيكون من المثير للاهتمام تحديد ما إذا كان لأي منها أدوار مماثلة.

يمكن للبروتينات غير المستقبلة في غشاء أهداب OSN أن تلعب أيضًا أدوارًا مهمة في توصيل حاسة الشم. أفضل ما يميزه هو بروتين غشاء العصب الحسي 1 (SNMP1) ، وهو بروتين عبر غشاء ثنائي المسار مرتبط بعائلة CD36 للثدييات [93]. تم تمييز SNMP1 في الأصل في العث لتعبيره وتوطينه الهدبي في الخلايا العصبية المستشعرة للفرمون [94] ، وهي خصائص محفوظة على نطاق واسع في الحشرات [95-98]. تحليل الطفرات في D. melanogaster أظهر أن SNMP1 ضروري للاستجابات بوساطة OR67d لـ cVA [95،99]. ومع ذلك ، يمكن تجاوز متطلبات SNMP1 - مثل متطلبات OBP LUSH - بتركيزات عالية جدًا من هذا الفرمون [100] ، مما يشير إلى أنه ليس جزءًا أساسيًا تمامًا من معقد المستقبل. الدور الهام لـ SNMP1 في الكشف عن فرمون في D. melanogaster من المرجح أن يتم حفظها في الحشرات الأخرى. على سبيل المثال ، RNAi من سنمب 1 في ب. موري يضعف قدرة الذكور على تحديد موقع الإناث والتزاوج معها ، وهي العمليات التي تعتمد بشكل كبير على الكشف عن الفيرومونات [98]. ترتبط بروتينات CD36 للثدييات وتنقل الجزيئات الشبيهة بالدهون في سياقات خلوية متنوعة ، والقدرة الجزئية لمتماثل الفئران CD36 على الإنقاذ. سنمب 1 المسوخ في D. melanogaster [97] قام بتوجيه الدراسات الميكانيكية لوظيفة SNMP1. يتنبأ نموذج التماثل لـ SNMP1 ، استنادًا إلى التركيب البلوري لبروتين CD36 LIMP-2 ، أن النطاق الخارجي SNMP1 به تجويف كاره للماء [97] ، والذي قد يعمل كقناة لنقل جزيئات الفرمون الكارهة للماء من اللمف خارج الخلية إلى مكان قريب. المركب المطبق في غشاء الأهداب [95،97،101،102]. في حين أن الآلية لا تزال قائمة بالكامل ، فإن المتطلبات الحاسمة لـ OBPs و SNMP1s في اكتشاف الفيرومونات ، ولكن ليس الأنواع الأخرى من الروائح ، قد تكون مرتبطة بالتحديات الكيميائية الحيوية للتركيز بشكل عام على روابط فرمون كبيرة وعالية الكراهية للماء على سطح أغشية OSN.

يمكن تعديل استجابات الخلايا العصبية الشمية بشكل أكبر بواسطة جزيئات الإشارة الأخرى بعد تنشيط المستقبل. السؤال الذي طال أمده هو كيف تحصل المستقبلات الشمية المؤينة للحشرات على حساسية كافية دون تضخيم الإشارة من قبل الرسل الثاني ، وهو متأصل في نقل مستقبلات الحسية الكيميائية الحسية الأيضية للفقاريات [103]. يقدم العمل الأخير حلاً لهذه المشكلة من خلال تقديم دليل على أن قناة الصوديوم المنحلة / الظهارية Pickpocket 25 (PPK25) تضخم التيارات التي تثيرها اللجين في اتجاه مجرى بعض المستقبلات الشمية [104]. في D. melanogaster، فإن الضربة القاضية الجينية أو الإفراط في التعبير عن PPK25 تقلل أو تزيد ، على التوالي ، الحساسية الفسيولوجية لـ Or47b OSNs [104] ، وهي فئة من الخلايا العصبية المستشعرة للفيرمونات تشارك في سلوك التودد [105،106]. وتعتمد هذه التأثيرات على الكالمودولين ، كطفرة في شكل رابط للكالموديولين في PPK25 أو تثبيط دوائي للكالموديولين يحاكي فقدان PPK25 [104]. ومن المثير للاهتمام ، أن دور PPK25 هذا يمكن ملاحظته أيضًا لشبكات OSN التي تعبر عن IR84a ، والتي تتعرف على الروائح المشتقة من الطعام التي تعزز سلوك التودد [107] ، ولمجموعة من الخلايا العصبية الحسية الذوقية (GSNs) التي تكتشف الفيرومونات غير المتطايرة [104]. إن الكشف عن أن هذا PPK يعمل كمضخم إشارة ، بدلاً من مستقبل حسي ، في هذه الفئات المختلفة من الخلايا العصبية له أهمية كبيرة: العديد من أعضاء D. melanogaster تورطت عائلة PPK في طرائق حسية متنوعة ولكن لم يكن واضحًا (باستثناء واحد [108،109]) ما إذا كانت هي المستقبلات الحسية أم لا [110-124]. قد يكون لهذه القنوات أدوار مماثلة تتجاوز الأنظمة الحسية على سبيل المثال ، يعدل PPK11 و PPK16 جهد الغشاء قبل المشبكي عند الوصل العصبي العضلي لتنظيم اللدونة المتجانسة [125].

قد تعمل بعض الوحدات الفرعية للمستقبلات الشمية أيضًا كمعدلات لنشاط المستقبل ، بدلاً من الروابط الرابطة نفسها. على سبيل المثال ، تعبر العديد من OSNs التي تعبر عن الأشعة تحت الحمراء - بالإضافة إلى مستقبل الضبط والمستقبل المشترك - عن بروتين مستقبل ثالث ، IR76b [13]. تشير بعض الأدلة إلى أن IR76b يعمل كمكوِّن حاسم لمركب مستقبلات شمية ثلاثي مفترض [17126] ، والذي يتوافق أيضًا مع التعبير الواسع ووظيفة هذا البروتين في مجموعات GSN المختلفة [126-132]. ومع ذلك ، ظهر دور مميز لـ IR76b في الحد من الاستجابات التي تثيرها الترابطات بدلاً من المساهمة فيها من خلال تحليل مجموعة GSNs التي تكتشف كل من السكريات وحمض الخليك. هنا ، تؤدي طفرة IR76b إلى زيادة الاستجابات الفسيولوجية الناتجة عن الترابط ، مع تعزيز مناظر للحساسية السلوكية [133]. تُظهر وظيفة IR76b كمثبط للاستجابات العصبية بعض الخصوصية ، حيث لا تتأثر حساسية مستقبلات الكابسيسين بالثدييات التي يتم التعبير عنها خارج الرحم في الخلايا العصبية التي تستشعر السكر / الحمض في Ir76b المسوخ. علاوة على ذلك ، فإن تعبير IR76b خارج الرحم في مجموعات الخلايا العصبية الأخرى لا يقلل من استجابتها الفسيولوجية [133]. يذكرنا الدور التعديلي المعتمد على السياق لـ IR76b بمستقبلات ثاني أكسيد الكربون في البعوض ، والتي تتكون من وحدتين فرعيتين ضروريتين للاستجابات التي تثيرها الترابط ، والثالثة التي قد تعدل الحساسية التي يثيرها الترابط [134–136]. الأساس الميكانيكي لتعديل الوحدة الفرعية للمستقبل غير معروف على أي حال ، ولكن هذه النتائج تسلط الضوء على التنظيم المعقد الذي قد يحدث بين الوحدات الفرعية داخل المجمعات غير المتجانسة (المفترضة) لتشكيل التوصيل الأيوني المعتمد على الترابط.

4. الخصائص الفيزيائية الحيوية والتنظيم بين الخلايا لاستجابات العصبون الحسي الشمي

تتكون إشارات OSN من عمليتين فسيولوجيتين: الأولى ، البوابات المعتمدة على الرائحة لقناة المستقبل الشمية ، وتدفق الأيونات وإزالة الاستقطاب من غشاء الأهداب ، والثانية ، تحويل ونشر هذه الإشارة الأولية عن طريق قنوات ذات جهد كهربائي في شكل إمكانات فعل (أو المسامير) أسفل محور OSN [137–139] (الشكل 3). يمكن اكتشاف أول هذه العمليات كتغييرات في إمكانات المجال المحلي للحس (LFP) ، والتي تمثل الإمكانات الكهربائية العابرة في الإحساس الناتج عن شبكات OSN ، بالإضافة إلى المساهمات من أنشطة النقل الأيوني للخلايا الداعمة [138،139]. تعكس ديناميكيات LFP خصائص تحويل الإشارة التي تحددها الطبيعة المحددة لتفاعلات ليجند / مستقبلات الرائحة ، في حين يمكن وصف الديناميكيات الزمنية للارتفاع عن طريق مرشح خطي تم تصويره عبر فئات OSN المختلفة [138،140].

الشكل 3. العمليات الفسيولوجية الشمية المحيطية. (أ) رسم مثالي للاستجابة الشمية الحسية ، يوضح العمليتين الفسيولوجيتين الرئيسيتين. (ب) رسم تخطيطي للحساسية التي تصور المناطق التي تحدث فيها هذه الاستجابات الفسيولوجية. على الرغم من أنه يُعتقد أن المسامير تتولد في محاور OSN ، إلا أنه يمكن اكتشافها تجريبيًا في التشعبات في عمود الاستشعار ، ربما من خلال التكاثر العكسي.

معظم الدراسات الفسيولوجية الشمية لا تقيس LFP وتستخدم التردد المرتفع باعتباره الوكيل الوحيد للإبلاغ عن النشاط العصبي الناجم عن الرائحة [138،141،142]. بينما تمثل المسامير المعلومات التي يتم نقلها إلى الدماغ ، فإن التقدير الشامل لفيزيولوجيا OSN المحيطية أمر بالغ الأهمية لفهم الاستجابات لمنبهات الرائحة الطبيعية. توجد الروائح على شكل أعمدة تتكون من جيوب من الهواء تحتوي على تركيزات واسعة النطاق من المواد الكيميائية. تستجيب OSNs لهذا النمط التحفيزي المعقد مؤقتًا بطرق متنوعة ، مثل إزالة التحسس من المحفزات القوية ، أو التحسس للمحفزات الضعيفة المتكررة [137،138،140،143،144]. يُظهر معدل LFP ومعدل الارتفاع حركيات تكيف مختلفة جدًا [138،140] ويبدو أيضًا أنهما يتكيفان استجابة للجوانب المختلفة لمحفز الرائحة. على سبيل المثال ، LFP ، ولكن ليس معدل الارتفاع ، يتكيف بقوة استجابة للتغيرات في متوسط ​​شدة التحفيز [140]. على النقيض من ذلك ، يتأثر كل من LFP ومعدل الارتفاع بالتباين في محفز الرائحة ، على الرغم من اختلاف ديناميكيات التكيف لكل مكون [140]. بطبيعة الحال ، فإن ارتفاعات الخلايا العصبية LFP وظواهر مترابطة بشكل وثيق ، وبينما تختلف حركية معدل الارتفاع و LFP ، فإن ديناميكيات التغيرات في سعة الارتفاع متطابقة تقريبًا مع تلك الخاصة بـ LFP [145]. معًا ، تكشف هذه التحليلات عن التطور الذي تقوم به OSNs بتشفير جوانب مختلفة من محفزات الرائحة وتؤكد أن قياس تردد الارتفاع وحده لا يلتقط بالكامل استجابة OSN وبالتالي قدرتنا على فهم كيفية ظهور نشاط الخلايا العصبية التي تثيرها الرائحة.

لا يزال الأساس الجزيئي للخصائص الفسيولوجية الديناميكية لـ OSNs غير واضح. ركزت معظم التحليلات على تشريح الهيكل / النشاط لـ ORCO ، مما يوفر دليلًا على أن التكيف الحسي يعتمد على تعديل كل من توطين المستقبلات وحساسيتها. لوحظ أن هذا المستقبل المشترك (ومن المفترض ، الضبط الشريك له OR) قد استنفد من الأهداب عند التعرض لفترة طويلة للرائحة ، على الرغم من أن هذا تم قياسه فقط على نطاق زمني متعدد الأيام [146]. قد يعتمد التحكم المعتمد على النشاط في توطين ORCO على الهدوء: RNAi من كموديولين أو طفرة في نموذج ربط كالمودولين متوقع في الحلقة الثانية داخل الخلايا في ORCO يعطل توطين أهدابها ، مع ما يترتب على ذلك من عيوب في النشاط الذي تثيره الرائحة [146]. قدمت الدراسات الفسيولوجية أدلة إضافية على دور إشارات الكالسيوم و / أو كالمودولين في التحسس المعتمد على ORCO للخلايا العصبية لتحفيز الرائحة المتكرر [147] والتكيف الحسي للخلايا العصبية التي تعبر عن OR [148]. تحتوي الحلقة نفسها من ORCO أيضًا على ثلاثة مواقع فسفرة محتملة [144،149،150]. يؤدي تحور هذه المواقع إلى تقليل خصائص التوصيل لـ ORCO في الخلايا غير المتجانسة [149] ويقلل من حساسية OSN والاستجابات السلوكية للروائح. في الجسم الحي [150]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تحور مواقع الفسفرة في شركة ORCO يمنع حساسية الرائحة [143]. أحد هذه المواقع ، S289 ، مزوَّد بالفوسفور في الجسم الحي عند إزالة حساسية OSN [144،151]. تقلل طفرة ORCO S289A من حساسية OSN في الجسم الحي، كما أن متحولة الفوسفو (ORCO S289D) تقلل من حجم حساسية OSN بعد التعرض للرائحة [144]. بدأت هذه الدراسات في الكشف عن تعقيد تنظيم المستقبلات الشمية الذي يساهم في خصائص الاستجابة الزمنية لشبكات OSN ، ولكنها توضح أيضًا التحدي المتمثل في تشريح التأثيرات بشكل واضح على توطين المستقبلات و / أو نشاطها.

التنظيم الجزيئي للأنواع الأخرى من المستقبلات الشمية غير معروف بشكل أساسي ، على الرغم من أن الارتباط بالجليكوزيل N- متورط في التحكم في توطين ونشاط الأشعة تحت الحمراء [152]. تشير الدراسات الفيزيولوجية الكهربية إلى أن العصبونات Or و Ir لها خصائص استجابة زمنية مميزة [148153] ، ويبدو أن بعضها على الأقل يعتمد على المستقبلات نفسها [153]. علاوة على ذلك ، لا يزال يتعين استكشاف المساهمة الحادة للمسارات المتورطة في التطور الحسي ، مثل إشارات القنفذ أو الليبيد flippase ATP8B (تمت مناقشته أعلاه).

إلى جانب الآليات التنظيمية المستقلة في OSNs ، تميز العمل الأخير بالترابط بين نشاط شبكات OSN المختلفة داخل نفس المعنى. في العديد من الفئات الحسية ، يتم تثبيط نشاط OSN واحد عند تنشيط خلية عصبية مجاورة [154]. لا يمنع منع الإرسال التشابكي مثل هذه التفاعلات المثبطة بين جهازي OSN [154] ، ولا يوجد دليل على وجود تقاطعات فجوة بين شبكات OSN المقترنة. تشير هذه الملاحظات إلى أن التثبيط يحدث من خلال الاقتران ephaptic coupler [46،154] ، وهي ظاهرة يغير فيها نشاط أحد الخلايا العصبية المجال الكهربائي المحلي لإضعاف استقطاب الخلايا العصبية القريبة. دعماً لهذه الفرضية ، أظهر التسجيل المتزامن لحسيتين مختلفتين مقترن بشكل مصطنع بواسطة قطب كهربائي أن التحفيز المستمر للخلايا العصبية في إحساس واحد يمكن تثبيطه عن طريق الإثارة في المحس المجاور [46]. علاوة على ذلك ، فإن الجمع بين هذه الملاحظات مع تحليل EM لأنواع الخلايا العصبية المحددة عبر CryoChem (الموصوف أعلاه) كشف أن التأثير المثبط يكون أقوى عند ممارسته من OSN أكبر على OSN أصغر [46]. التفسير المعقول لهذه العلاقة غير المتكافئة هو أنه من المتوقع أن تتمتع الخلايا العصبية الأكبر بمقاومة أقل للمدخلات ومساحة سطح شجيري أكبر للسماح بأقصى LFP أعلى [46] ، مما يشير إلى ارتباط لم يتم تقديره سابقًا بين مورفولوجيا OSN وعلم وظائف الأعضاء. سيحدد العمل المستقبلي كيفية تأثير هذه التفاعلات النفاذة على ترميز الرائحة ، ولا سيما خلطات الروائح الطبيعية المعقدة.

العمل على GSNs في النحلة الطنانة (بومبوس تيريستريس) يقدم رؤى إضافية مثيرة للاهتمام حول كيف ولماذا تتواصل الخلايا العصبية داخل نفس المعنى [155]. كشفت التسجيلات من عصبون حساس للغاية للسكر في إحساس "النوع أ" على أجزاء الفم عن نمط انفجار غير عادي من النبضات عند التحفيز مع تركيزات عالية من السكروز [155]. تتزامن نهاية انفجار السنبلة مع ارتفاع واحد من خلية عصبية ثانية في هذا المحس. أدى إدخال مثبط تقاطع الفجوة في المحس إلى إطلاق العصبون الأول المستمر الذي يثيره السكروز ، مما يشير إلى أنه - على النقيض من التثبيط ephaptic الموصوف في الحسية الشمية - ينهي العصبون الثاني أول قطار ارتفاع للخلايا العصبية عبر المشابك الكهربائية (هذه ومع ذلك ، لم يتم تصور الهياكل بشكل مباشر). الأهم من ذلك ، أن هذا النمط المتفجر من إطلاق النار يمنع إزالة حساسية الخلايا العصبية ، مما قد يفسر قدرة النحل على الحفاظ على سلوك التغذية على الرحيق عالي السكر [155].

5. الخلاصة ووجهات النظر

كان اكتشاف المستقبلات الشمية للحشرات عاملاً فعالاً في فهم كيفية اكتشاف هذه الحيوانات للروائح البيئية ، فضلاً عن تسهيل تطوير الأدوات الجزيئية لرسم خرائط ومعالجة الدوائر الشمية. ومع ذلك ، فإن المستقبلات وحدها لا تحدد الحساسية الرائعة والنوعية والدقة الزمنية التي لوحظت في النشاط العصبي الذي تثيره الرائحة. لقد سلطنا الضوء على تعقيد تحويل الإشارات المحيطية في الحسية الشمية ، والثروة الهائلة للبيولوجيا التي لا يزال يتعين اكتشافها. من الواضح أن العديد من الجزيئات العصبية وغير العصبية والمفرزة التي تشارك في هذه العملية (أو بالأحرى العمليات) لا يزال يتعين توصيفها [156]. علاوة على ذلك ، فإن تحديد في الجسم الحي وظيفة معظم البروتينات في تحديد خصائص الإشارة ، وكيف تؤثر هذه الاستجابات السلوكية ، سوف تتطلب ابتكارات تقنية للسماح بتثبيطها الحاد لتمييز الأدوار في التطور الحسي من المساهمات المباشرة لنقل الإشارة. أخيرًا ، في حين أن التحقيق في التنبيغ الشمي للحشرات يحظى باهتمام واسع النطاق في علم الأعصاب الحسي والإيكولوجيا الكيميائية ، فمن المحتمل أن يكون للعديد من الأفكار المكتسبة أهمية واسعة لفهم عمليات الاتصال الجزيئي والخلوي عبر الأنسجة والأنواع المتنوعة.


نقل الإشارة

بصفتنا كائنات حية ، فإننا نتلقى باستمرار ونفسر الإشارات من بيئتنا. يمكن أن تأتي هذه الإشارات على شكل ضوء أو حرارة أو روائح أو لمس أو صوت. تتلقى خلايا أجسامنا أيضًا إشارات باستمرار من خلايا أخرى. هذه الإشارات مهمة للحفاظ على الخلايا حية وتعمل وكذلك لتحفيز الأحداث الهامة مثل انقسام الخلايا والتمايز.

غالبًا ما تكون الإشارات عبارة عن مواد كيميائية يمكن العثور عليها في السائل خارج الخلية حول الخلايا. يمكن أن تأتي هذه المواد الكيميائية من أماكن بعيدة في الجسم (إشارات الغدد الصماء بواسطة الهرمونات) ، أو من الخلايا المجاورة (إشارات الباراكرين) أو يمكن أن تفرزها نفس الخلية (إشارات الأوتوكرين).

الشكل ( PageIndex <1> ). (CC BY-NC-SA)

قد تؤدي جزيئات الإشارة إلى أي عدد من الاستجابات الخلوية ، بما في ذلك تغيير التمثيل الغذائي للخلية التي تتلقى الإشارة أو يؤدي إلى تغيير في التعبير الجيني (النسخ) داخل نواة الخلية أو كليهما.

نظرة عامة على تشوير الخلية

يمكن تقسيم إشارات الخلية إلى 3 مراحل.

1. الاستقبال: خلية تكتشف جزيء إشارة من خارج الخلية. يتم الكشف عن إشارة عندما ترتبط الإشارة الكيميائية (المعروفة أيضًا باسم ligand) ببروتين مستقبل على سطح الخلية أو داخل الخلية.

2. التنبيغ: عندما يرتبط جزيء الإشارة بالمستقبل ، فإنه يغير بروتين المستقبل بطريقة ما. هذا التغيير يبدأ عملية التنبيغ. عادة ما يكون توصيل الإشارة مسارًا من عدة خطوات. يغير كل جزيء مرحل في مسار تحويل الإشارة الجزيء التالي في المسار.

3. الاستجابة: أخيرًا ، تؤدي الإشارة إلى استجابة خلوية محددة.

الشكل ( PageIndex <2> ). (CC BY-NC-SA)

مستقبلات الغشاء تعمل عن طريق ربط جزيء الإشارة (يجند) والتسبب في إنتاج إشارة ثانية (تُعرف أيضًا باسم المرسل الثاني) التي تؤدي بعد ذلك إلى استجابة خلوية. ينقل هذا النوع من المستقبلات المعلومات من البيئة خارج الخلية إلى داخل الخلية عن طريق تغيير الشكل أو عن طريق الانضمام إلى بروتين آخر بمجرد ارتباط رابط معين به. تتضمن أمثلة المستقبلات الغشائية مستقبلات G Protein-Coupled Receptor Tyrosine Kinases.

الشكل ( PageIndex <3> ). (CC BY-NC-SA)

المستقبلات داخل الخلايا توجد داخل الخلية ، إما في الخلية الخلوية أو في نواة الخلية المستهدفة (الخلية التي تستقبل الإشارة). يمكن للرسائل الكيميائية التي تكون كارهة للماء أو صغيرة جدًا (هرمونات الستيرويد على سبيل المثال) أن تمر عبر غشاء البلازما دون مساعدة وتربط هذه المستقبلات داخل الخلايا. بمجرد ربط جزيء الإشارة وتنشيطه ، يمكن للمستقبل المنشط بدء استجابة خلوية ، مثل تغيير في التعبير الجيني.

الشكل ( PageIndex <3> ). (CC BY-NC-SA)

التوضيح

نظرًا لأن أنظمة الإشارات تحتاج إلى أن تستجيب لتركيزات صغيرة من الإشارات الكيميائية وتتصرف بسرعة ، غالبًا ما تستخدم الخلايا مسارًا متعدد الخطوات ينقل الإشارة بسرعة ، مع تضخيم الإشارة إلى العديد من الجزيئات في كل خطوة.

غالبًا ما تتضمن خطوات مسار تحويل الإشارة إضافة أو إزالة مجموعات الفوسفات مما يؤدي إلى تنشيط البروتينات. تسمى الإنزيمات التي تنقل مجموعات الفوسفات من ATP إلى البروتين كينازات البروتين. العديد من جزيئات الترحيل في مسار تحويل الإشارة عبارة عن كينازات بروتينية وغالبًا ما تعمل على كينازات البروتين الأخرى في المسار. غالبًا ما يؤدي هذا إلى إنشاء ملف شلال الفسفرة، حيث يقوم أحد الإنزيمات بفوسفوريلات أخرى ، مما يؤدي بعد ذلك إلى فسفرة بروتين آخر ، مما يتسبب في حدوث تفاعل متسلسل.

من المهم أيضًا في سلسلة الفسفرة مجموعة من البروتينات تعرف باسم فوسفاتازات البروتين. فوسفاتازات البروتين هي إنزيمات يمكنها إزالة مجموعات الفوسفات بسرعة من البروتينات (نزع الفسفرة) وبالتالي تعطيل كينازات البروتين. فوسفاتازات البروتين هي مفتاح & quotoff & quot في مسار تحويل الإشارة. من المهم إيقاف تشغيل مسار تحويل الإشارة عندما لا تكون الإشارة موجودة لضمان تنظيم الاستجابة الخلوية بشكل مناسب. تعمل عملية إزالة الفسفرة أيضًا على إتاحة كينازات البروتين لإعادة استخدامها وتمكين الخلية من الاستجابة مرة أخرى عند تلقي إشارة أخرى.

ليست الكينازات هي الأدوات الوحيدة التي تستخدمها الخلايا في نقل الإشارات. تسمى جزيئات أو أيونات صغيرة غير بروتينية قابلة للذوبان في الماء الرسل الثاني (الرابط الذي يربط المستقبل هو المرسل الأول) يمكنه أيضًا ترحيل الإشارات التي تتلقاها المستقبلات على سطح الخلية لاستهداف الجزيئات في السيتوبلازم أو النواة. تتضمن أمثلة الرسل الثانية Cyclic AMP (cAMP) وأيونات الكالسيوم.

الشكل ( PageIndex <4> ). (CC BY-NC-SA)

إجابة

تؤدي الإشارات الخلوية في النهاية إلى تنظيم نشاط خلوي واحد أو أكثر. يعد تنظيم التعبير الجيني (تشغيل نسخ جينات معينة أو إيقاف تشغيله) نتيجة شائعة لإشارات الخلية. قد ينظم مسار الإشارات أيضًا نشاط البروتين ، على سبيل المثال فتح أو إغلاق قناة أيونية في غشاء البلازما أو تعزيز التغيير في استقلاب الخلية مثل تحفيز تفكك الجليكوجين. يمكن أن تؤدي مسارات الإشارات أيضًا إلى أحداث خلوية مهمة مثل انقسام الخلايا أو موت الخلايا المبرمج (موت الخلية المبرمج).

/>
تعليمي تحويل الإشارة بواسطة الدكتورة كاثرين هاريس مرخص بموجب أ المشاع الإبداعي Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.


أ.تحويل الإشارة بوساطة البروتين G بواسطة PKA (بروتين كيناز أ)

بروتينات ربط GTP (بروتينات جي) تحويل الإشارات خارج الخلية عن طريق تحفيز إنتاج الرسول الثاني الجزيئات في الخلايا. عندما ترتبط الهرمونات أو جزيئات المستجيب (الإشارة) الأخرى بمستقبلات الغشاء ، يحدث تغيير خيفي في السيتوبلازم يزيد مجال المستقبل من تقارب المجال السيتوبلازمي ، مستقبل البروتينات G على سطح غشاء البلازما الداخلي. بروتينات G هي قادين تتكون من وحدات فرعية ( ألفا ) و ( بيتا ) و ( جاما ) ، مضمنة في السطح السيتوبلازمي لأغشية الخلايا المستجيبة. يتم توضيح نقل الإشارات بوساطة بروتين G في الخطوات السبع الموضحة في الصفحة التالية.

يتغير شكل المستقبل عند ربط جزيء إشارة المستجيب (الخطوات 1 ، 2). في هذا التشكل ، يتعرف المستقبِل على قاطع البروتين G ويرتبط به على السطح السيتوبلازمي لغشاء البلازما (الخطوة 3). عند ربط القاطع بالمستقبل ، يزيح GTP الناتج المحلي الإجمالي على ( alpha ) الوحدة الفرعية من البروتين G (الخطوة 4).

بعد التغيير التوافقي ، فإن ( alpha ) الوحدة الفرعية ينفصل عن الوحدات الفرعية ( بيتا ) و ( جاما ) (الخطوة 5). في هذا الرسم التوضيحي ، يمكن الآن للوحدة الفرعية GTP - ( alpha ) الارتباط بإنزيم عبر الغشاء ، أدينيلات سيكليس (الخطوة 6). أخيرًا ، الإشارة الكيميائية الأولية خارج الخلية هي منقولة إلى استجابة داخل الخلايا تتضمن جزيئات المرسل الثاني (الخطوة 7). في هذه الحالة ، يكون الرسول الثاني معسكر. المشهور المكافحة أو الهروب تعتبر الاستجابة للأدرينالين في خلايا الكبد للحيوانات الأعلى مثالًا جيدًا على الاستجابة الخلوية بوساطة cAMP. بعد أن يرتبط الأدرينالين بمستقبلاته ، ترتبط بروتينات G بدورها بالجانب السيتوبلازمي للمستقبل ، والذي يرتبط بعد ذلك بـ adenylate cyclase. يربط cAMP وينشط بروتين كيناز أ (PKA) ، والانطلاق في شلال التضخيم استجابة. تم تفصيل بعض تفاصيل سلسلة تضخيم الإشارة بوساطة G-protein في الرسم التوضيحي بالصفحة التالية.

بعد تنشيط إنزيم الأدينيلات (الخطوتان 1 و 2 في الرسم) ، يتم تصنيع cAMP وربطه باثنين من الوحدات الفرعية الأربعة من PKA غير النشط (الخطوه 3). يؤدي التغيير التوافقي إلى فصل الرباعي إلى وحدتين فرعيتين خاملتين مرتبطتين بـ cAMP واثنين PKA النشط الوحدات الفرعية (الخطوة 4). كل PKA النشط إنزيم يحفز الفسفرة وتنشيط إنزيم يسمى كيناز فسفوريلاز (الخطوة 5).

في الخطوة 6 ، يحفز كيناز فسفوريلاز فسفوريلاز الجليكوجين الفسفرة. أخيرًا ، في نهاية شلال الفسفرة، النشط الآن فسفوريلاز الجليكوجين catalyzes the hydrolysis glycogen to glucose-1-phosphate (step 7). This results in a rapid retrieval free glucose from liver cells into the circulation. Remind yourself of how this works by reviewing the conversion of glucose-1 phosphate (G-1-P) to G-6-P in glycolysis and its fate in gluconeogenesis. Of course, the increase in circulating glucose provides the energy for the fight-or-flight قرار.

In addition to activating enzymes that break down glycogen, cAMP-activated PKA mediates cellular responses to different effectors resulting in a phosphorylation cascade leading to

  • Activation of enzymes catalyzing glycogen synthesis.
  • تفعيل lipases that hydrolyze fatty acids from triglycerides.
  • Microtubule assembly.
  • Microtubule disassembly.
  • Mitogenic effects (activation of enzymes of replication).
  • Activation of transcription factors increasing/decreasing gene expression.

Of course, when the cellular response is no longer needed by the organism, it must stop producing the signal molecules (hormone or other effector). As their levels drop, effector molecules dissociate from their receptors and the response stops. This is all possible because binding of signals to their receptors is freely reversible! This is animated for G-protein based signal transduction in the link below.


Hao Wu, Ph.D.

The Wu laboratory of “structural immunology” focuses on elucidating the molecular mechanism of signal transduction by immune receptors, especially innate immune receptors.

The Wu laboratory of “structural immunology” focuses on elucidating the molecular mechanism of signal transduction by immune receptors, especially innate immune receptors. The lab began its studies on the signaling of a classical cytokine produced by the innate immune system, tumor necrosis factor (TNF), which induces diverse cellular responses such as NF-κB activation and cell death. Receptors for TNF belong to the large TNF receptor (TNFR) superfamily. The second pursuit of the lab has been the Toll-like receptor (TLR)/interleukin-1 receptor (IL-1R) superfamily, which induces signaling pathways overlapping with those of the TNFR superfamily. TLRs are transmembrane receptors that sense a discrete collection of molecules of microbial origin in the extracellular space and endosomes and members of IL-1R family are receptors for cytokines IL-1 and IL-18. In recent years, the lab expanded its research to a number of cytosolic pattern recognition receptors that provide intracellular surveillance of infections. Some of these receptors form inflammasomes to control activation of caspase-1, which in turn regulates maturation of the proinflammatory cytokines IL-1 and IL-18 and induces pyroptosis, a rapid inflammatory form of cell death.

In addition, the lab initiated an effort to elucidate the molecular mechanism for the generation of antigen receptor diversity in adaptive immunity. For optimal host defense, jawed vertebrates have evolved the elegant V(D)J recombination to generate a large repertoire of antibody and antigen-receptor genes. The RAG recombinase specifically recognizes and cleaves variable (V), diversity (D) and joining (J) non-contiguous immunoglobulin (Ig) segments in the genome, which then become spliced together by the nonhomologous end joining (NHEJ) DNA repair pathway.

The overall objective of the Wu lab has been to determine how macromolecular interactions direct immune responses using the core approaches of structural biology including X-ray crystallography, cryo-electron microscopy, as well as cellular imaging. These structural studies have modified the traditional view of signal transduction as a string of recruitment and allosteric events. As a recurrent theme, the lab’s research revealed that upon ligand stimulation, many innate immune receptors assemble large oligomeric intracellular signaling complexes, or “signalosomes,” to induce the activation of caspases, kinases and ubiquitin ligases, which leads to cell death, cytokine maturation or expression of gene products for immune and inflammatory responses. The different scaffolds identified by these structural studies provide a molecular foundation for understanding the formation of microscopically visible signaling clusters in cells.