Oxygen control of breathing by an olfactory receptor activated by lactate

乳酸激活的嗅覺(jué)受體對(duì)呼吸的氧氣控制

來(lái)源：Nature, Volume 527, Issue 7577, November 12, 2015, pages 240-244

《自然》雜志，第527卷，第7577期，2015年11月12日，頁(yè)碼240-244

 

摘要：

這篇論文摘要討論了動(dòng)物對(duì)氧氣可用性變化的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，長(zhǎng)期反應(yīng)由缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）轉(zhuǎn)錄通路控制，但哺乳動(dòng)物急性缺氧反應(yīng)的分子通路不明確。研究發(fā)現(xiàn)嗅覺(jué)受體Olfr78在頸動(dòng)脈體的氧敏感g(shù)lomus細(xì)胞中高表達(dá)和選擇性表達(dá)。Olfr78突變體在缺氧時(shí)不能增加通氣，但對(duì)高碳酸血癥反應(yīng)正常。乳酸在缺氧時(shí)快速積累，并在異源表達(dá)實(shí)驗(yàn)中激活Olfr78，誘導(dǎo)glomus細(xì)胞鈣瞬變，并通過(guò)Olfr78刺激頸動(dòng)脈竇神經(jīng)活動(dòng)。提出Olfr78作為呼吸電路中的缺氧傳感器，通過(guò)感知氧水平下降時(shí)產(chǎn)生的乳酸來(lái)調(diào)控呼吸。

 

研究目的：

研究目的是揭示急性缺氧反應(yīng)的分子機(jī)制，特別是確定頸動(dòng)脈體氧傳感的分子通路。研究旨在驗(yàn)證Olfr78在缺氧傳感中的作用，探討乳酸作為內(nèi)源性配體如何介導(dǎo)這一過(guò)程，并為理解缺氧相關(guān)的生理響應(yīng)提供新見(jiàn)解。

 

研究思路：

研究思路基于比較基因表達(dá)分析，使用RNA測(cè)序和全基因組微陣列比較頸動(dòng)脈體和腎上腺髓質(zhì)的基因表達(dá)，識(shí)別出高表達(dá)的Olfr78。通過(guò)Olfr78報(bào)告基因小鼠確定其在glomus細(xì)胞的表達(dá)定位。利用Olfr78 knockout突變體小鼠，進(jìn)行全身體積描記法測(cè)量呼吸參數(shù)、頸動(dòng)脈竇神經(jīng)電生理記錄、鈣成像實(shí)驗(yàn)以及乳酸濃度測(cè)量，驗(yàn)證Olfr78在缺氧響應(yīng)中的功能。整體思路從基因表達(dá)篩選到功能驗(yàn)證，結(jié)合分子生物學(xué)、生理學(xué)和電生理學(xué)方法。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了基因表達(dá)譜，通過(guò)RNA測(cè)序和微陣列顯示Olfr78在頸動(dòng)脈體高表達(dá)且相對(duì)于腎上腺髓質(zhì)富集，數(shù)據(jù)來(lái)自圖1a、b和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2。研究意義在于識(shí)別出Olfr78作為候選氧傳感器，其高表達(dá)提示其在急性傳感中的潛在角色，為后續(xù)功能研究提供基礎(chǔ)。

 

 

2 測(cè)量了Olfr78的表達(dá)定位，使用報(bào)告基因和免疫染色顯示Olfr78特異性表達(dá)于頸動(dòng)脈體glomus細(xì)胞，數(shù)據(jù)來(lái)自圖1c-h和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3。研究意義在于確認(rèn)傳感器在關(guān)鍵氧敏感細(xì)胞中的位置，排除其他組織表達(dá)，強(qiáng)化其在呼吸電路中的特異性。

 

 

3 測(cè)量了呼吸響應(yīng)，通過(guò)全身體積描記法顯示Olfr78突變體在缺氧時(shí)呼吸率不增加，但對(duì)高碳酸血癥響應(yīng)正常，數(shù)據(jù)來(lái)自圖2a-d和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖4。研究意義在于證明Olfr78對(duì)缺氧響應(yīng)的必要性，且缺陷具有特異性，支持其在頸動(dòng)脈體功能中的核心作用。

 

 

 

4 測(cè)量了頸動(dòng)脈竇神經(jīng)活動(dòng)，電生理記錄顯示突變體在缺氧時(shí)神經(jīng)放電減少，但對(duì)低pH響應(yīng) intact，數(shù)據(jù)來(lái)自圖3h、i和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6。研究意義在于直接證實(shí)Olfr78缺失損害頸動(dòng)脈體氧傳感功能，而酸傳感通路獨(dú)立，突出了Olfr78在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的關(guān)鍵性。

 

 

 

 

5 測(cè)量了乳酸激活Olfr78，在HEK293T細(xì)胞中乳酸劑量依賴性地激活Olfr78，EC50為4.0 mM，數(shù)據(jù)來(lái)自圖4a和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7。研究意義在于鑒定乳酸為生理相關(guān)配體，其濃度范圍與缺氧時(shí)積累一致，為代謝物傳感機(jī)制提供證據(jù)。

 

 

 

 

6 測(cè)量了乳酸濃度變化，在體實(shí)驗(yàn)顯示缺氧時(shí)動(dòng)脈血乳酸快速升高，數(shù)據(jù)來(lái)自圖4b和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7h。研究意義在于將乳酸動(dòng)態(tài)與缺氧響應(yīng)關(guān)聯(lián)，支持乳酸作為缺氧信號(hào)分子的角色。

7 測(cè)量了glomus細(xì)胞鈣響應(yīng)，鈣成像顯示乳酸誘導(dǎo)鈣瞬變，類似缺氧和氰化物效應(yīng)，數(shù)據(jù)來(lái)自圖4c、d和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8。研究意義在于證實(shí)乳酸直接激活glomus細(xì)胞，闡明下游信號(hào)事件，完善從傳感到生理輸出的通路。

 

 

 

結(jié)論

1 Olfr78在頸動(dòng)脈體glomus細(xì)胞特異性表達(dá)，是急性缺氧傳感所必需的，突變體導(dǎo)致缺氧時(shí)通氣增加缺陷。

2 乳酸作為內(nèi)源性配體激活Olfr78，在缺氧時(shí)積累，介導(dǎo)glomus細(xì)胞激活和呼吸刺激。

3 Olfr78通路通過(guò)感知代謝物乳酸實(shí)現(xiàn)缺氧傳感，與HIF通路互補(bǔ)，提供了一種整合氧可用性和需求的快速響應(yīng)機(jī)制。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量的數(shù)據(jù)主要涉及細(xì)胞周圍氧濃度的量化，例如在方法部分描述的"Measurement of pericellular oxygen concentration and calculation of oxygen consumption"中使用Unisense OX500微電極。這些測(cè)量用于驗(yàn)證缺氧條件，如通過(guò)氧剖面分析顯示缺氧時(shí)氧濃度從正常水平下降至低于0.1%，數(shù)據(jù)參考擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5和相關(guān)文本。研究意義在于直接、高分辨率地量化微環(huán)境氧動(dòng)態(tài)，證實(shí)缺氧誘導(dǎo)的生理變化：氧濃度下降觸發(fā)乳酸積累，從而激活Olfr78通路。這種測(cè)量將宏觀缺氧刺激與分子傳感器響應(yīng)直接鏈接，強(qiáng)化了乳酸作為缺氧代謝標(biāo)志物的角色，并支持了線粒體假說(shuō)，即氧傳感通過(guò)代謝變化間接實(shí)現(xiàn)。此外，Unisense數(shù)據(jù)有助于排除其他因素干擾，確保實(shí)驗(yàn)條件的可控性，為Olfr78機(jī)制提供可靠的環(huán)境背景。