2007年8月16日,我所罗敏敏博士实验室在《Science》杂志发表题为 “Detection of Near-Atmospheric Concentrations of CO2 by an Olfactory Subsystem in the Mouse” 的文章

博士与美国杜克大学医学中心的Hiroaki
Matsunami博士共同获得人类前沿科学计划组织(Human Frontier Science
Program Organization,HFSP)“青年科学家奖(Young Investigators’
Grants)”,该奖项将资助北京生命科学研究所的罗敏敏实验室及美国杜克大学医学中心的Matsunami实验室三年共75万美元科研经费。

,我所罗敏敏实验室在《Science》杂志上发表题为“Detection of
Near-Atmospheric Concentrations of CO2by an Olfactory Subsystem in the
Mouse
”的文章。该文章报道了小鼠可以通过一类特殊的嗅觉神经元感受接近于空气中浓度的二氧化碳。

,我所博士实验室在《Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America》杂志在线发表题为“Guanylyl cyclase-D in the
olfactory CO2neurons is activated by
bicarbonate”的文章。该文报道了小鼠嗅觉系统检测二氧化碳的分子机制。

今年HFSP组织的“青年科学家奖”及“项目资助奖”共收到全球797个意向书,最终决定资助32个项目,其中“青年科学家奖”有12个。我所博士是获得“青年科学家奖”的第一位基于中国的科学家。

二氧化碳对于许多生物是一种重要的环境信号分子。传统上二氧化碳被认为是无色无味的气体。经典的心理物理学测试证明对于二氧化碳确实不能由人类的嗅觉系统所检测,但是其他的哺乳动物是否可以通过嗅觉系统感受低浓度的二氧化碳仍然不清楚。

动物对特定刺激所表现出来的各种先天性行为都源于程序性发育形成的某些神经环路的激活。许多动物都把二氧化碳作为一种重要的环境信号,产生与自我生存和繁殖相关的各种先天性行为。在神经环路水平上,通过对低等动物果蝇、线虫、蚊子等的研究表明,对二氧化碳的检测通常都是由一类特殊的感觉神经元来完成。

博士的申请课题是“哺乳动物项链嗅觉系统的功能图片 1(Function
of a Specialized Olfactory System in
Mammals)”。杜克大学遗传系的Matsunami实验室与我所的罗敏敏实验室将联合运用遗传工程、神经示踪、电生理及行为分析等手段,来研究“项链嗅觉系统”的受体表达、生理反应特点、中枢投射的方式及其对行为的调控。通过结合两个实验室在分子遗传学及系统神经科学的专长,这一研究完全有潜力从基因水平到行为水平解开此一特殊嗅觉通路信息处理的神秘难题。

由我所罗敏敏研究员所领导的课题组运用分子生物学、免疫组织化学、小鼠遗传操作、电生理、钙成像、以及行为学等多种实验手段,证明了小鼠能通过一类表达D型鸟苷酸环化酶的嗅觉感觉细胞感受接近于大气中浓度的二氧化碳。他们首先发现表明碳酸酐酶II,一种催化CO2与水生成HCO3-和H+的酶,特异地表达在这类GC-D神经元中。这些神经元的轴突投射到嗅球中的项链嗅小球,形成所谓的项链嗅觉系统。这一研究运用钙成像与电生理记录表明CO2激活GC-D神经元以及嗅球中与项链嗅小球联系的神经细胞。行为学实验结果表明小鼠检测CO2的阈限为0.066%,非常接近空气中CO2的平均浓度。最后,他们的药理实验及行为实验证明小鼠这样灵敏的二氧化碳检测能力需要碳酸酐酶II的活性及环鸟苷酸环敏感的离子通道的开发。

小鼠作为一种经典模式实验动物,因其发达的嗅觉,被神经生物学家广泛用于哺乳动物嗅觉系统的研究。在以前的研究中罗敏敏实验室首先发现并证明了二氧化碳可以通过项链嗅觉系统被小鼠灵敏地检测到,并且这样灵敏的二氧化碳检测能力需要碳酸酐酶II的活性及环鸟苷酸敏感的离子通道的开放。在本研究中,他们运用分子生物学、生物化学、小鼠遗传操作、电生理、钙成像等多种实验手段,证明了检测二氧化碳的神经细胞中一种D型鸟苷酸环化酶能够直接被二氧化碳的代谢物——碳酸氢根所激活。通过对体外表达GC-D的深入研究,首次发现碳酸氢根对它的激活完全不同于其同家族的其他膜蛋白的受调控方式。以A型鸟苷酸环化酶为例,其鸟苷酸环化酶的活性是基于这一膜蛋白的胞外结构域与特定肽类小分子配体的结合而引发的一系列结构变化最终被激发。然而GC-D的鸟苷酸环化酶的活性却是通过碳酸氢根直接作用于胞内的酶活结构域而引发的。至此,这一研究对于哺乳动物对CO2检测的分子机制提供了重要线索,也为我们对定位于细胞膜的鸟苷酸环化酶的分子调节机制有了更广泛而多样的认识。

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