王春亮+吳衍+熊前+余盼+李強+潘彩霞+楊前勇

摘要：從犬的嗅覺系統(tǒng)形態(tài)學(xué)特征、嗅覺傳導(dǎo)通路、犬嗅覺系統(tǒng)受體等相關(guān)領(lǐng)域的研究進展進行了簡要綜述，并對犬嗅覺系統(tǒng)的科學(xué)利用和未來的研究方向進行了探討和展望。

關(guān)鍵詞：犬；嗅覺系統(tǒng)；解剖結(jié)構(gòu)；傳導(dǎo)通路；受體；基因

中圖分類號：S829.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-273X（2016）12-0005-04

嗅覺是犬賴以生存的特殊感覺，嗅覺系統(tǒng)的研究已成為當(dāng)今動物學(xué)研究的熱點之一。經(jīng)過長期的自然進化，犬嗅覺系統(tǒng)為性能最為卓越的化學(xué)傳感系統(tǒng)，能夠從復(fù)雜的環(huán)境中分辨和識別成百上千種只有痕量水平的各種氣體分子。近年來，前人對犬嗅覺系統(tǒng)及其受體等進行了一系列研究，并取得了很大進展，對于犬嗅覺系統(tǒng)受體、基因及功能基因組學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域仍需要深入研究，進一步揭示犬的嗅覺機制，為加快培育高嗅覺靈敏性犬育種工作提供理論指導(dǎo)，同時，也可為以嗅覺研究為基礎(chǔ)的其他交叉學(xué)科帶來新的發(fā)展契機。

1 犬嗅覺系統(tǒng)形態(tài)學(xué)特征

1.1 犬嗅覺系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)及特征

犬嗅覺器官的解剖結(jié)構(gòu)主要包括鼻腔、犁鼻器、鼻甲骨、鼻竇、篩骨、嗅黏膜和嗅球。犬鼻較長，鼻腔較寬大，每次吸入空氣的量很大，鼻道內(nèi)沒有鼻毛，襯有黏膜，犬鼻的長度暗示著敏感性的成倍增強，進化上犬鼻呈加長趨勢。梨鼻器是位于鼻底和梨骨兩側(cè)組織中的特殊嗅覺器官，是一種感覺外激素的化學(xué)感受器，呈成對的小盲管狀，常為小泡狀器官。犁鼻器的外側(cè)部覆有柱狀纖毛上皮，上皮下含有較大的腺體和一膨脹體，內(nèi)側(cè)為較厚的嗅上皮，其中有雙極嗅細胞及支持細胞。犁鼻器在位置、神經(jīng)分布、傳入途徑和功能方面，與鼻腔嗅區(qū)是不相同的。犬有3個鼻甲骨復(fù)雜卷曲，包括上鼻甲、中鼻甲和下鼻甲，起著調(diào)節(jié)吸入空氣溫度和濕度的作用。腦部橫斷面的研究表明，后半個鼻腔幾乎充滿了篩鼻甲骨，在篩鼻甲骨的黏膜層中擁有大量的嗅覺受體，篩鼻甲能夠使犬吸入更大體積的氣體，并控制著此處鼻竇的開合，并且由此進入鼻竇。鼻竇位于頭骨中，與鼻腔相通，其中內(nèi)襯著可能具有嗅覺功能的黏液樣細胞，使吸入的空氣有足夠回旋的空間進行加溫和濕潤。犬的篩骨與顱骨結(jié)合，因結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜又被稱為篩骨迷路，其上皮是嗅黏膜的密集地，也是嗅覺功能的發(fā)生地，犬的篩骨有篩板和篩孔，嗅神經(jīng)纖維經(jīng)篩孔從顱骨穿出。鼻黏膜也被稱作嗅黏膜，被覆于整個鼻腔的內(nèi)部，由嗅上皮和固有層組成，嗅黏膜含有嗅細胞、支持細胞和基細胞3種細胞。犬嗅球呈卵圓形，位于篩骨的后方，腦的最前部。嗅球的結(jié)構(gòu)層次清晰，有利于信號的整合和傳導(dǎo)，為嗅覺信號傳導(dǎo)的中繼站，屬于嗅覺系統(tǒng)的初級中樞[1，2]。

1.2 犬嗅覺系統(tǒng)分類

犬的嗅覺系統(tǒng)一般分為兩個系統(tǒng)，主嗅覺系統(tǒng)（MOS）由鼻腔中的嗅球和嗅覺上皮組成，犁鼻系統(tǒng)（VNS）由梨鼻器器官組成。盡管兩種嗅覺系統(tǒng)來自異源的進化途徑，但兩者在生物功能上密切相關(guān)，有相似的分子、細胞過程及類似的適應(yīng)生態(tài)變化情況。MOS主要是識別環(huán)境中的化學(xué)氣味。而犁鼻器系統(tǒng)（VNS）對小范圍內(nèi)特異性的化學(xué)感應(yīng)信號-信息素的識別更加靈敏，被認(rèn)為是主嗅覺系統(tǒng)的輔助結(jié)構(gòu)。

2 嗅覺傳導(dǎo)通路

嗅覺起始于嗅神經(jīng)元纖毛上的嗅覺受體與氣味分子（Odorant，嗅質(zhì)）的相互作用。在氣味感受過程中，疏水性的嗅質(zhì)首先與嗅質(zhì)結(jié)合蛋白（Odorant bidningporetin，OBP）結(jié)合，之后嗅質(zhì)與嗅質(zhì)受體（Odorant receptor，ODR）作用，嗅質(zhì)受體是一種G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupled receptors，GPCRs），它能轉(zhuǎn)導(dǎo)嗅覺信號，在細胞膜外側(cè)，嗅質(zhì)與ODR結(jié)合后，內(nèi)側(cè)活化的G 蛋白隨后激活腺苷酸環(huán)化酶，使細胞內(nèi)大量的ATP轉(zhuǎn)化成cAMP，cAMP是細胞內(nèi)第二信使，打開離子通道，Na+和Ca2+內(nèi)流使嗅神經(jīng)元細胞膜去極化，最終產(chǎn)生動作電位。嗅神經(jīng)元通過軸突把動作電位傳導(dǎo)到大腦前端的嗅球，嗅覺信號在嗅球中經(jīng)過加工、修飾和編碼后，通過嗅球的輸出神經(jīng)元僧帽細胞和叢狀細胞的軸突投射傳導(dǎo)到大腦皮層，在那里嗅覺信號被解碼以分辨不同的氣味，形成對氣味的感受[3]。

3 犬嗅覺系統(tǒng)受體

3.1 犬嗅覺系統(tǒng)受體分類及結(jié)構(gòu)特征

自Buck等[4]發(fā)現(xiàn)嗅覺受體基因超家族，迄今為止，研究人員已發(fā)現(xiàn)5種與動物嗅覺相關(guān)的受體，包括嗅覺受體（Odorant receptors，ORs）、犁鼻器受體（Vomeronasal receptors，VRs）、痕量胺相關(guān)受體（Trace amine-associated receptors，TAARs）、甲酰肽受體（formyl peptide receptors，F(xiàn)PRs）、鳥苷酸環(huán)化酶（Guanylylcyclase，GC-D）[2，5]。目前研究發(fā)現(xiàn)除鳥苷酸環(huán)化酶與犬嗅覺系統(tǒng)相關(guān)尚未見報道外，其他的4種受體都與犬嗅覺系統(tǒng)相關(guān)。這4種受體都屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族，各種受體蛋白質(zhì)分子的氨基酸大小不一，但都具有7個長度為19～26個氨基酸疏水區(qū)即7次α-螺旋跨膜蛋白（TM）形成的結(jié)構(gòu)域，總長度約為300～350個氨基酸。氨基酸鏈的N端在膜外側(cè)，C端在膜內(nèi)側(cè)。這樣就在細胞膜兩側(cè)各形成3個環(huán)，即3個胞內(nèi)環(huán)（IC）和3個胞外環(huán)（EC）。不同的GPCR跨膜螺旋區(qū)的氨基酸比較保守，而C、N末端和回環(huán)區(qū)的氨基酸差異較大[6]。

3.2 犬嗅覺系統(tǒng)受體組成、表達及功能

3.2.1 OR受體的組成、表達及功能 OR基因家族是第一個被發(fā)現(xiàn)的嗅覺受體基因家族，Quignon等[7]研究表明，犬的OR基因根據(jù)序列同源性被分為class-I和class-II兩類。class-I基因是最古老的嗅覺受體基因群，其可在水生環(huán)境下被水溶性氣味分子所激發(fā)，包括5個家族。class-II基因通常是在陸地環(huán)境下被揮發(fā)性的氣味分子所激發(fā)，分為18個家族。犬基因組中有971個嗅覺受體基因，約占犬嗅覺受體基因組的80%。OR基因在進化過程中出現(xiàn)了不同程度的假基因化，即基因中含有一個或多個破壞框架（包括移碼，片段終止密碼，或片段破壞散布重復(fù)等）。OR基因較小，基因的長度約1 kb左右，其顯著特點是編碼區(qū)沒有內(nèi)含子，僅在編碼區(qū)和5'非翻譯區(qū)之間存在一個內(nèi)含子。研究發(fā)現(xiàn)，有34個OR基因亞家族只在家犬中被發(fā)現(xiàn)[8]，這些特有的亞家族可能與家犬靈敏的嗅覺有關(guān)。

Tacher等[9]2005年首次進行了OR基因的多態(tài)性研究，接著Robin等[10]對OR進行了更廣泛的OR基因多態(tài)性研究，研究結(jié)果表明，幾乎所有的OR基因都在不同程度上具有多態(tài)性，有的SNP位點導(dǎo)致了氨基酸突變且具有品種特異性，甚至與犬的嗅認(rèn)能力密切相關(guān)[11]。

OR蛋白質(zhì)變異在氣味感知的敏感性和特異性方面發(fā)揮作用，犬OR基因存在多態(tài)性和一些品種特異性變異[8]。因此，推測這些品種特異性變異可能與品種嗅覺的差異有關(guān)。然而，迄今為止，由于多數(shù)犬的OR配體仍未知，導(dǎo)致OR基因多樣性與氣味感知變異之間的相關(guān)性聯(lián)系還沒有建立。犬有971個嗅覺受體基因，但它能識別的氣味卻超過了10 000種，表明一個OR可以與多個氣味分子結(jié)合，不同的OR組合也能與多種氣味分子結(jié)合。這種交叉組合的方式大大增加了OR結(jié)合氣味分子的種類，使OR最大程度的發(fā)揮作用。由于OR研究方法及高通量檢測的局限性，很難完成單個OR基因表達的精準(zhǔn)定位，確定與某一氣味分子綁定蛋白復(fù)合物相對應(yīng)的OR蛋白則更加困難。雖然，前人已對嗅覺受體基因進行了大量的研究，但由于嗅覺基因家族的多樣性以及嗅覺系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于嗅覺受體基因的研究還不夠全面和成熟，尚需進一步深入研究。

3.2.2 VR受體的組成、表達及功能 犁鼻器受體又稱信息素受體，包括V1R、V2R兩個基因家族。V1R、V2R基因分別發(fā)現(xiàn)于1995年[12]和1997年[13]，他們表達在哺乳動物梨鼻器上并參與信息素的檢測。研究表明，V1R檢測揮發(fā)性氣味，V2R檢測非揮發(fā)性蛋白質(zhì)配體，但配體激活這兩種受體的性質(zhì)尚未完全研究清楚。

V1R基因的編碼區(qū)沒有內(nèi)含子，全長約1 000 bp，可編碼300個氨基酸左右的7次跨膜受體；V2R基因編碼區(qū)含有多個外顯子，蛋白產(chǎn)物同樣是7次跨膜的G蛋白偶聯(lián)受體，長度約為850個氨基酸，其中約有300個氨基酸的跨膜區(qū)域，V2R基因家族大約有200個成員。犬的基因組中只有9個具有完整編碼框的V1R潛在功能基因[14，15]，假基因的數(shù)目也僅僅是60個，這與犬的犁鼻器器官相對較薄、副嗅球也相對較小相對應(yīng)。犬的基因組中，僅發(fā)現(xiàn)了9～20個V2R假基因，犬擁有幾十個完整的V2R基因，但是它們在體內(nèi)完全退化。犬通過V1R基因識別外激素的能力可能被發(fā)達的主嗅系統(tǒng)所取代，因而發(fā)生退化。犬犁鼻器的退化令人驚訝。犁鼻器受體一旦被轉(zhuǎn)換，運輸，加工，會導(dǎo)致兩性嚙齒動物行為的變化，包括雄性間相互攻擊，性行為和長時間神經(jīng)內(nèi)分泌改變[16]。

目前，人們很難解釋犬依賴信息素傳遞信息的某些行為，如發(fā)情期母犬如何吸引公犬前來交配、公犬何以借助尿液劃屬領(lǐng)地等[11]。VR基因在犁鼻器的各層神經(jīng)元細胞中以區(qū)域特異性的方式表達。信息素是由一個個體分泌并被同種另一個體感受并識別的化學(xué)物質(zhì)，隨之引發(fā)群體內(nèi)與個體交流和生殖相關(guān)的一系列生理和行為變化[10]。另外，與該途徑相關(guān)的分子包括非典型的組織相容性復(fù)合體（MHCⅠb）分子、β2-球蛋白（β2m）、三磷酸肌醇（IP3）和瞬時受體電位（TRP）家族成員TRPC2等。其中，只有離子通道TRPC2與信息素受體V1R和V2R一樣，不參與其他生理學(xué)過程，僅在信息素傳導(dǎo)方面發(fā)揮特異性作用[17]。近年來，雖然對于哺乳動物信息素受體的研究及認(rèn)識有了長足進步，但犁鼻系統(tǒng)在哺乳動物嗅覺功能中所扮演的角色[18]及哺乳動物信息素感知的分子機制尚不完全清楚，仍需進一步研究。

3.2.3 TAAR受體的組成、表達及功能 痕量胺相關(guān)受體是由TAAR基因編碼的蛋白，是至關(guān)重要的細胞間信號分子[19]。系統(tǒng)發(fā)育史研究表明，哺乳動物的祖先擁有9個TAAR基因即TAAR1-9。但在犬體內(nèi)某些TAAR基因退化為假基因，犬的基因組中有兩個功能基因TAAR4和TAAR5，兩個假基因TAAR1P和TAAR2P，而犬全基因組中卻有大量OR基因，其中822個基因功能，而假基因只有25.3%的比例，原因可能是TAARs與ORs的功能存在重疊，犬可能更趨向于依賴數(shù)量較大的ORs，導(dǎo)致TAARs 減少退化。

犬的TAARs表達在散落在嗅覺上皮細胞中的嗅覺神經(jīng)元的一個子集中，另有研究表明，其也表達在格呂內(nèi)貝格神經(jīng)節(jié)上[20]，犬的TAAR家族基因保守性和退化成假基因并存的特點與嗅覺受體基因極為相似。目前，哺乳動物TAAR1基因是研究最為廣泛的痕量胺相關(guān)受體。由于犬TAAR1基因退化成假基因，致使與TAAR1功能相關(guān)的犬行為特點，如易接受訓(xùn)練、能夠解讀獎懲等研究變得越發(fā)有趣[11]。目前，人們只能推測犬具備另外兩個潛在的功能性TAAR基因來補償缺失的TAAR1功能。

3.2.4 FPR受體的組成、表達及功能 甲酰肽受體是哺乳動物獨有的一種氣味受體。Migeotte等[21]2006年首次報道甲酰肽受體表達在免疫系統(tǒng)。參與炎癥和免疫應(yīng)急反應(yīng)的甲酰肽受體也能在犁鼻器中表達，參與犁鼻器信號傳導(dǎo)。FPR受體家族共有7個成員，其中5個表達在犁鼻器神經(jīng)元，另外2個表達在免疫系統(tǒng)[22]，犬基因組包含1～2個FPR基因。因為，甲酰肽受體主要在吞噬細胞表面表達，并能夠與細菌性趨化肽相互作用，因而也將它們稱為化學(xué)趨化物受體。甲酰肽受體可能在犬防御微生物感染中起著非常重要的作用。在進化過程中，甲酰肽受體轉(zhuǎn)錄有趨于穩(wěn)定的趨勢。犁鼻器FPR基因表達譜非常類似于V1R和V2R的基因表達譜，即有選擇地表達在一個犁鼻器神經(jīng)元小子集上。

目前，人們在鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了犁鼻器特異性甲酰肽受體，但在犬體內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)[23]。FPR受體識別特定感覺配體，而這些配體不被V1R和V2R識別。另外，F(xiàn)PR受體與V1R或V2R共同識別特定的配體但他們各自生成專門的傳輸信號，傳輸?shù)讲煌拇竽X區(qū)域[8]。在未來，隨著基因組測序覆蓋率的增加和越來越多的基因組被測序，以及直接進行基因組功能分析的實現(xiàn)，為更進一步的探究FPR家族的進化及其功能提供更高效的研究工具。

4 展望

嗅覺對犬是一種極其重要的生理感覺，近年來，前人對犬嗅覺系統(tǒng)受體基因和蛋白的結(jié)構(gòu)、組成、表達部位及嗅覺傳導(dǎo)機理等進行了一系列研究，并取得了很大進展，尤其是各嗅覺相關(guān)受體基因家族的發(fā)現(xiàn)和研究推動了國際上嗅覺研究的快速發(fā)展。但對嗅覺的發(fā)生機制尚不清楚，隨著嗅覺系統(tǒng)受體基因、蛋白質(zhì)及新的化學(xué)氣味感受受體的相繼發(fā)現(xiàn)與深入研究，人們對犬嗅覺系統(tǒng)的認(rèn)識與利用將上升到一個新高度。嗅探犬作為操作工具，已被用于軍用和民用等社會的各個領(lǐng)域檢測不同的氣味。犬不同的嗅覺系統(tǒng)存在和表達不同的氣味受體，研究不同用途犬的嗅覺系統(tǒng)受體基因及其多態(tài)性，逐一探索化學(xué)氣味感受受體的功能及調(diào)控，從而尋找嗅覺系統(tǒng)受體基因的多態(tài)性與氣味識別之間的聯(lián)系，將嗅覺系統(tǒng)受體特異基因結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)聯(lián)，有助于開展犬嗅覺系統(tǒng)功能的研究，以便更深入了解犬嗅覺靈敏的原因，為犬嗅覺的科學(xué)利用提供理論依據(jù)。而基因組測序?qū)樾嵊X基因多態(tài)性的研究，提供更精確和快速的工具。因此，尋找和篩選犬完成各種氣味識別的主要候選基因，以及其下游通路和激活途徑，可以為相關(guān)嗅覺功能性障礙等疾病的防治尋找潛在的靶點，并且對加快培育高嗅覺靈敏性的工作犬育種工作具有重要意義。另外，隨著近年來現(xiàn)代仿生科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研制與使用嗅覺仿生生物設(shè)備，可為以嗅覺研究為基礎(chǔ)的其他交叉學(xué)科帶來新的發(fā)展契機，并將成為未來生物科學(xué)的熱點和發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1] 伊茂修.家犬嗅覺受體基因的空間表達差異及進化分析[D].山東曲阜：曲阜師范大學(xué)，2013.

[2] YODER A D，LARSEN P A. The molecular evolutionary dynamics of the vomeronasal receptor （class 1） genes in primates：a gene family on the verge of a functional breakdown[J].Frontiers in Neuroanatomy，201，8（153）：153.

[3] BENBERNOU N，ROBIN S，TACHER S，et al. cAMP and IP3 signaling pathways in HEK293 cells transfected with canine olfactory receptor genes[J].Journal of Heredity，2011，102（1）： 47-61.

[4] BUCK L，AXEL R. A novel multigene family may encode odorant receptors：A molecular basis for odor recognition[J].Cell， 1991，65：175-187.

[5] FLEISCHER J， BREER H， STROTMANN J. Mammalian olfactory receptors[J].Frontiers in Cellular Neuroscience， 2009，3：9.

[6] EYUN S. The origin and molecular evolution of two multigene families：G-protein coupled receptors and glycoside hydrolase families[D].Dissertations & Theses-Gradworks，2013.

[7] QUIGNON P， RIMBAULT M，ROBIN S，et al. Genetics of canine olfaction and receptor diversity[J].Mammalian Genome， 2012， 23（1-2）： 132-143.

[8] QUIGNON P， GIRAUD M， RIMBAULT M， et al. The dog and rat olfactory receptor repertoires[J]. Genome Biology， 2005， 6（10）： 1.

[9] TACHER S， QUIGNON P， RIMBAULT M， et al. Olfactory receptor sequence polymorphism within and between breeds of dogs[J]. Journal of Heredity， 2005， 96（7）： 812-816.

[10] ROBIN S，TACHER S，RIMBAULT M，et al. Genetic diversity of canine olfactory receptors[J].BMC Genomics，2009，10（1）：1.

[11] 楊 敏，盧麗萍.犬嗅覺受體相關(guān)基因[J].動物醫(yī)學(xué)進展，2012，33（7）：101-104.

[12] DULAC C，AXEL R. A novel family of genes encoding putative pheromone receptors in mammals[J].Cell，1995，83（2）： 195-206.

[13] MATSUNAMI H，BUCK L B. A multigene family encoding a diverse array of putative pheromone receptors in mammals[J].Cell，1997，90（4）：775-784.

[14] YOUNG J M，KAMBERE M，TRASK B J，et al. Divergent V1R repertoires in five species：Amplification in rodents，decimationin primates，and a surprisingly small repertoire in dogs[J].Genome Res，2005，15：231-240.

[15] YOUNG J M，MASSA H F，HSU L，et al. Extreme variability among mammalian V1R gene families[J]. Genome Research， 2010，20（1）：10-18.

[16] ISOGAI Y，SI S，PONT-LEZICA L，et al. Molecular organization of vomeronasal chemoreception[J].Nature，2011，478（7368）：241-245.

[17] 楊 暉，孟祥雪，于 黎，等.哺乳動物犁鼻器信息素感知及犁鼻器系統(tǒng)特異基因的分子進化研究進展[J].科學(xué)通報，2010，55（10）：849-856.

[18] BROAD K D， KEVERNE E B. The post-natal chemosensory environment induces epigenetic changes in vomeronasal receptor gene expression and a bias in olfactory preference[J]. Behavior Genetics， 2012， 42（3）： 461-471.

[19] FLAMES N， HOBERT O. Transcriptional control of the terminal fate of monoaminergic neurons[J]. Annual Review of Neuroscience， 2011， 34： 153-184.

[20] FLEISCHER J，SCHWARZENBACHER K， BREER H. Expression of trace amine-associated receptors in the Greenebergganglion[J]. Chemical Senses，2007， 32（6）： 623-631.

[21] MIGEOTTE I，COMMUNI D， PARMENTIER M. Formyl peptide receptors：a promiscuous subfamily of G protein-coupled receptors controlling immune responses[J].Cytokine & Growth Factor Reviews，2006， 17（6）： 501-519.

[22] RIVI?RE S，CHALLET L，F(xiàn)LUEGGE D，et al. Formyl peptide receptor-like proteins are a novel family of vomeronasalchemosensors[J].Nature，2009，459（7246）：574-577.

[23] YANG H，SHI P.Molecular and evolutionary analyses of formyl peptide receptors suggest the absence of VNO-specific FPRs in primates[J].Journal of Genetics and Genomics，2010，37（12）：771-778.