Informacija

Koks yra kvapiųjų medžiagų perdavimo signalizacijos kelio molekulinis mechanizmas?

Koks yra kvapiųjų medžiagų perdavimo signalizacijos kelio molekulinis mechanizmas?


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.

Perskaičiau keletą straipsnių kvapiųjų medžiagų signalizacijos kelio tema. Toliau pateikti dokumentai pateikiami kaip pavyzdžiai. Tačiau radau, kad nėra aiškaus kvapo signalizacijos kelio, per kurį turėtų būti žinomi susiję genai ir taisyklės, vaizdavimo būdas. Ar aš praleidau popierių?

  • Menzel, R. ir P. Benjamin (2013). Bestuburių mokymasis ir atmintis, Academic Press.
  • Leal WS: Kvapo priėmimas vabzdžiuose: receptorių, surišančių baltymų ir ardančių fermentų vaidmuo. Annu Rev Entomol 2013, 58: 373-391.
  • Kaupp, U. B. (2010). "Kvapo signalizavimas stuburiniuose ir vabzdžiuose: skirtumai ir bendrumas". Nat Rev Neurosci 11(3): 188-200.
  • Vosshall, L. B. ir R. F. Stocker (2007). "Molekulinė kvapo ir skonio architektūra Drosofiloje". Annu Rev Neurosci 30: 505-533.

Informacija apie tai yra didžiulė. Aš nurodysiu pagrindinius dalykus. Paprastai šis signalizavimas apima keturis komponentus, t. receptoriai, transdukcijos mašinos, perireceptorių procesai ir chemosensorinės informacijos apdorojimas.

Receptoriai
Pirmasis žingsnis yra gauti signalą (čia kvapioji medžiaga ar chemikalai). Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta stuburinių, vabzdžių ir nematodų pirminių chemoreceptorių neuronų palyginimas.

Šie neuronai nuolat gimsta, bręsta ir miršta, o procesas yra gerai ištirtas daugelyje modelių sistemų.

Signalo perdavimas

Gavus stimulą, jį reikia perkelti į ląstelės vidų tolimesniam apdorojimui. Šiuo atveju transdukcija paprastai vyksta per GPCR signalizaciją. Šie neuronai naudoja dvi plačiai naudojamas signalizacijos kaskadas. Toliau pateiktame paveikslėlyje pavaizduoti pagrindiniai šio signalizavimo komponentai (a): stuburinių uoslės receptorių neuronai (b): omarų uoslės receptorių neuronai,

Perireceptorių procesai

Šie procesai yra svarbūs receptorių aktyvacijai ir transdukcijai. Jie gali būti bet kokio tipo, pavyzdžiui, mechaniniai arba biocheminiai.

Tolesnis apdorojimas

Kelio lygyje yra didžiulė informacija. Toliau pateiktame paveikslėlyje pavaizduoti dviejų modelių sistemų pagrindiniai komponentai.

Norėdami rasti genus, turite ieškoti konkrečioje šio proceso dalyje (kaip tai yra geras žmogaus receptorių genų pavyzdys).

Primygtinai rekomenduoju perskaityti 4 skyrių „Pojūčiai – visapusiška nuoroda“. Visa aukščiau pateikta informacija yra paimta iš šios knygos. Kita gera atviro kodo nuoroda yra „The Neurobiology of Olfaction“, šioje nuorodoje yra viskas, ko jums reikia Laisvas.


Kvapo adaptacijos uoslės receptorių ląstelėje mechanizmas

Prisitaikymas prie kvapiklių prasideda nuo jutimo receptorių ląstelių 1–5 lygio, greičiausiai moduliuojant jų transdukcijos mašinas. Uoslės signalo perdavimas apima adenililciklazės / ciklinės AMP antrojo pasiuntinio sistemos aktyvavimą, dėl kurio nuosekliai atsidaro cAMP valdomi kanalai ir Ca 2+ aktyvuoti chlorido jonų kanalai 4–7 . Keletas ataskaitų apie rezultatus, gautus iš in vitro preparatai aprašo galimus molekulinius mechanizmus, susijusius su kvapo adaptacija, būtent ordorantinių receptorių fosforilinimą 8,9, fosfodiesterazės 10 aktyvavimą ir jonų kanalų reguliavimą 11–14. Tačiau vis dar nežinoma, ar šie tariami mechanizmai veikia nepažeistoje uoslės receptoriaus ląstelėje. Čia mes tiriame adaptacinio mechanizmo pobūdį nepažeistose uoslės ląstelėse, naudojant kvapiosios stimuliacijos ir narve esančios cAMP fotolizės 15 derinį, kuris sukuria dabartinius atsakus, apeinančius ankstyvąsias signalo perdavimo stadijas (įtraukiant receptorių, G baltymą ir adenililciklazę). Kvapo ir cAMP sukeltos reakcijos parodė tą patį prisitaikymą priklausomai nuo Ca 2+, o tai rodo, kad prisitaikymas vyksta visiškai pasroviui nuo ciklazės. Be to, parodome, kad adaptacijos metu fosfodiesterazės aktyvumas išlieka pastovus ir kad ligandų cAMP jungiamo kanalo afiniteto pokytis gerai atitinka mūsų rezultatus. Darome išvadą, kad pagrindinis kvapiųjų medžiagų prisitaikymo mechanizmas iš tikrųjų yra cAMP valdomo kanalo moduliavimas pagal Ca 2+ grįžtamąjį ryšį.


Koks yra kvapiųjų transdukcijos signalizacijos kelio molekulinis mechanizmas? – Biologija

Straipsnio santrauka:

Stuburinių akių šviesos spinduliai patenka pro vyzdį ir šie šviesos spinduliai yra sutelkti į gerai organizuotą šviesai jautrių neuronų, žinomų kaip tinklainė, kolekciją. Tinklainė susideda iš dviejų tipų šviesos jutimo neuronų, kurie aptariami toliau:

a) Strypų ląstelės: Šios ląstelės jaučia žemą šviesos lygį, bet negali atskirti spalvų.

b) Kūginės ląstelės: Šios ląstelės yra mažiau jautrios šviesai, tačiau gali atskirti spalvas.

Strypo ir kūgio struktūra

Abi ląstelės yra ilgas, siauras fotosensorinis neuronas, turintis du skirtingus ląstelių skyrius, o išorinį segmentą sudaro membraninis diskas, kuriame yra membraninis baltymas rodopsinas, o vidinį segmentą sudaro branduolys ir daugybė mitochondrijų, reikalingų ATP gamybai. nuotraukų perdavimas. Vidiniame segmente taip pat yra Na+K+ ATPazė, kuri sukuria transmembraninį elektrinį potencialą. Šį membranos potencialą sumažina Na+ arba Ca2+ srautas per jonų kanalą, esantį išoriniame segmente. Šis jonų kanalas yra uždarytas cGMP. Tamsoje lazdelės ląstelės susideda iš tam tikro lygio cGMP, kuris palaiko šį kanalą atvirą. Membranos potencialo vertė priklauso nuo grynojo skirtumo tarp Na+ ir K+ koncentracijų, kurią sukuria Na+ K+ ATPazė, esanti vidiniame ląstelių segmente, ir Na+ arba Ca2+ antplūdžio per išorinio segmento jonų kanalus.

Molekulinis mechanizmas, susijęs su regėjimu

Signalo perdavimas prasideda, kai šviesa patenka ant rodopsino. Rodopsinas yra integruotas membraninis baltymas, turintis septynias membranas, apimančias α sraigtas. Regėjimo signalo perdavimo proceso metu įvyksta šie įvykiai.

1 žingsnisRodopsiną sudaro šviesą sugeriantis pigmentas 11-cis tinklainė ir kovalentiškai prijungtas baltymas, žinomas kaip opsinas. Kai fotoną absorbuoja rodopsinas, fotono energija sukelia rodopsino konformacijos pasikeitimą, paverčiant 11-cis tinklainę į visą trans-tinklainę.

2 žingsnisJaudinantis rodopsinas sąveikauja su antruoju baltymų transducinu, priklausančiu GTP surišantiems baltymams, turintiems tris subvienetus, būtent Tα, Tβ ir Tγ. Transducinas gali susieti su GTP arba BVP. Tamsoje, kai signalas negaunamas, BVP yra susietas ir visi trys baltymų subvienetai lieka susieti. Kai rodopsiną sužadina fotonas, jis sąveikauja su transducinu, katalizuodamas surišto BVP pakeitimą GTP iš citozolio. Transducino Tα subvienetas atsiskiria nuo Tβγ subvieneto.

3 žingsnis: Kitas signalo perdavimo kelio žingsnis yra cGMP fosfodiesterazės aktyvinimas. Fosfodiesterazė yra fermentas, paverčiantis cGMP į 5 'GMP. Dėl šio fermento aktyvavimo sumažėja cGMP koncentracija išoriniame segmente. Žemesnis cGMP lygis blokuoja cGMP valdomus jonų kanalus, slopindamas Na+ ir Ca2+ patekimą į išorinį fotosensorinių ląstelių segmentą, sukeldamas fotosensorinių ląstelių membranos hiperpoliarizaciją. Dėl to pasikeičia ląstelių membranos membranos potencialas. Šis signalas pereina į regos smegenų žievę ir gamina signalus.

4 veiksmas: Nuolatinis Ca2+ nutekėjimas per Na+ Ca2+ mainus sumažina citozolinį Ca2+. Šis Ca2+ koncentracijos sumažėjimas aktyvina guanililciklazę, kuri slopina fosfodiesterazės fermentą. Šio fermento slopinimas padidina cGMP lygį, todėl katijonas vėl atidaromas. Tokiu būdu membranos potencialas grįžta į priešstimulinį potencialą.

5 žingsnis: Konformacinis pokytis, kurį sukelia fotonų absorbcija, sukelia kelių Thr ir Ser liekanų poveikį. Likučius greitai fosforilina rodopsino kinazė. Ca2+ surišantis baltymas regeneruoja kaip rodopsino kinazės inhibitorius. Fosforilintą rodopsiną suriša baltymas arrestinas1. Šis sulaikomasis baltymas apsaugo nuo rodopsino ir transducino sąveikos. Laikui bėgant visa sužadintos rodopsino molekulės trans-tinklainė pašalinama ir pakeičiama 11-cis tinklaine.

Šiame signalo perdavime dalyvaujantis stiprinimas

Kiekviena sužadinta rodopsino molekulė suaktyvina mažiausiai penkis šimtus transducino molekulių, o kiekviena transducino molekulė savo ruožtu aktyvina fosfodiesterazės fermentą. Šis fosfodiesterazės fermentas hidrolizuoja keturis tūkstančius du šimtus cGMP molekulių per sekundę, nes fosfodiesterazės fermentas turi didelį apsisukimų skaičių.

Žmogus negali sintezuoti tinklainės, todėl vitaminas A dietoje yra būtinas norint išlaikyti vitamino A lygį. Vitamino A trūkumas maiste sukelia naktinį aklumą. Turtingas vitamino A šaltinis yra kepenys (jautiena, kiauliena, vištiena, kalakutiena, žuvis), menkių kepenų aliejus, morkos, brokolių lapai, saldžiosios bulvės, sviestas, kopūstų špinatai, moliūgai, žalumynai, Čederio sūris, kantalopės melionas, kiaušinis, abrikosai papajos, mangai, žirniai, brokoliai ir pienas.

Apie autorių / Papildoma informacija:

Svarbus atsakomybės atsisakymas: Visi šios svetainės straipsniai yra skirti tik bendrai informacijai ir nėra profesionalų ar ekspertų patarimai. Mes neprisiimame jokios atsakomybės už šiame straipsnyje pateiktos informacijos teisingumą ar autentiškumą ar bet kokius nuostolius ar sužalojimus, atsiradusius dėl to. Mes nepritariame šiems straipsniams, nesame susiję su šių straipsnių autoriais ir neatsakome už jų turinį. Išsamias sąlygas rasite mūsų atsisakymo skyriuje.


Skirtingi ONE-GC transdukcijos režimai ir kvapų motyvai: Uroguanylin ir CO (2)

Uoslės jutimo neuronų pogrupyje ONE-GC($) membranos guanilato ciklazė yra dviejų nuo kvapo priklausančių ciklinių GMP signalizacijos takų pagrindinis komponentas. Šie kvapikliai yra uroguanilinas ir CO(2). Šis tyrimas buvo skirtas iššifruoti šių dviejų kvapiųjų signalizacijos mechanizmų biocheminius ir molekulinius skirtumus. Tyrimas rodo (1), priešingai nei uroguanilinas, CO(2) transdukcijos mechanizmas yra nepriklausomas nuo Ca(2+). (2) CO (2) transdukcijos vieta, kaip ir uroguanilino-neurokalcino delta, yra ONE-GC šerdies kataliziniame domene, aa 880-1028. (3) Tačiau ši vieta nepersidengia su neurokalcino delta signalo perdavimo domenu, (908)LSEPIE(913). Galiausiai (4) šis tyrimas paneigia vyraujančią koncepciją, kad CO(2) vienareikšmiškai signalizuoja ONE-GC aktyvumą (Sun ir kt. [19] Guo ir kt. [21]). Tai rodo, kad jis taip pat signalizuoja apie fotoreceptorių membranos guanilato ciklazės ROS-GC1 aktyvavimą. Šie rezultatai rodo papildomą naują membranos guanilato ciklazių transdukcijos mechanizmą ir praplečia mūsų supratimą apie molekulinius mechanizmus, kuriais skirtingi kvapikliai, naudojant vieną guanilatciklazę, gali reguliuoti įvairius ciklinius GMP signalizacijos kelius.

Autoriaus teisės 2009 Elsevier Inc. Visos teisės saugomos.

Skaičiai

1 paveikslas. Scheminis ONE-GC ir…

1 pav. ONE-GC ir jo išraiškos konstrukcijų scheminis vaizdas

Šios santrumpos žymi…

2 pav. Ca 2+ nepriklausomas stimuliavimas…

2 pav. Ca 2+ nepriklausomas ONE-GC stimuliavimas bikarbonatu (A) ir nuo Ca 2+ priklausomas…

3 pav. Bikarbonato ir neurokalcino δ taikinys…

3 pav. Bikarbonatas ir neurokalcinas δ nukreipti į skirtingas ONE-GC šerdies katalizinio domeno vietas


Kur uoslės jutimo neuronai projektuoja savo aksonus?

Veiksmo potencialas, kurį sukelia kvapiklių surišimas dėl transdukcijos kaskados, keliauja uoslės jutimo neuronų aksonu iš uoslės epitelio ir pasiekia uoslės lemputę. Visų uoslės jutimo neuronų aksonai, išreiškiantys tam tikrą kvapo receptorių, susilieja tik į du anatomiškai atskirus sinapsinius vienetus, vadinamus glomerulais, uoslės lemputėje. Pelėms yra

2 000 glomerulų, o jų lokalizacija tarp individų yra beveik išsaugota. Todėl uoslės lemputė yra topografiškai organizuota, o atskiri glomerulai yra vieno tipo kvapo receptorius. Uoslės jutimo neuronų, ekspresuojančių tam tikrą kvapo receptorių, aksonų konvergencija buvo eksperimentiškai įrodyta vieno aksono skiriamąja geba naudojant transgenines peles, kuriose tam tikro kvapo receptoriaus geno ekspresija buvo susieta su žalio fluorescencinio baltymo ekspresija. Buvo įrodyta, kad visi ir tik neuronai, išreiškiantys tą konkretų kvapo receptorių, aksonai susiliejo su tiksliniais glomeruliais (14, 18).

Atrodo, kad kiekvienas kvapo receptorių tipas taip pat dalyvauja procese, kuris nuolat palaiko specifinį uoslės jutimo neuronų aksonų taikymą. Iš tiesų, gerai žinoma, kad uoslės jutimo neuronai kas kelias savaites patiria degeneracijos ir regeneracijos ciklą, todėl uoslės sistemos organizavimą reikia dažnai atkurti (16).

Be uoslės lemputės aksonų projekcijų analizės, daugelyje laboratorijų buvo atlikta funkcinė analizė, naudojant įvairius vaizdavimo metodus, tokius kaip vidinis vaizdavimas, kalcio indikatoriai, įtampai jautrūs dažai ir funkcinis magnetinis rezonansas. Kaip ir tikėtasi, atskirų kvapiklių sukeltą aktyvumą sudarė kombinuotas kelių glomerulų aktyvavimas, panašus į tą, kuris buvo pastebėtas kvapiųjų receptorių atveju. Todėl dabar gerai žinoma, kad informacija apie kvapą yra erdviškai vaizduojama uoslės lemputėje (1, 6, 7, 15). Naujausi tyrimai parodė, kad laikini reakcijos į kvapus aspektai taip pat vaidina svarbų vaidmenį uoslėje, nors norint suprasti ryšį tarp erdvinių ir laiko aspektų, būtina atlikti tolesnį tyrimą.

Uoslės lemputėje taip pat vyksta sudėtingas uoslės informacijos apdorojimas. Iš tiesų, kiekviename glomeruluose yra kelių tūkstančių uoslės jutimo neuronų (kiekvienas išreiškia tą patį kvapo receptorių) aksonai ir dendritai.

50 mitralinių ir kuokštinių ląstelių, kurios yra pagrindiniai uoslės lemputės įvesties ir išvesties neuronai. Šiuos neuronus aktyvuoja uoslės jutimo neuronai, tačiau kvapioji informacija toliau apdorojama slopinančių interneuronų, periglomerulinių ląstelių ir granulių ląstelių aktyvumu (10, 17).


Koks yra kvapiųjų medžiagų perdavimo signalizacijos kelio molekulinis mechanizmas? – Biologija

Ligandas suriša savo receptorių per daugybę specifinių silpnų nekovalentinių ryšių, įterpdamas į specifinę surišimo vietą arba „kišenę“.
Tais atvejais, kai net maža ligando koncentracija sukels daugumą giminingų receptorių, laikoma, kad receptorių afinitetas yra didelis.
Mažas afinitetas receptoriams atsiranda, kai daugumai receptorių reikalinga didelė ligando koncentracija.
Disociacijos konstanta (Kd,) yra ligando koncentracija, reikalinga užimti pusę visų turimų receptorių.
Šis receptorių afiniteto matavimas dažnai yra nuo 10-4 iki 10-9 mM.

Ilgai veikiant ligandui (ir užėmus receptorių), ląstelės dažnai tampa desensibilizuotos.
Ląstelės desensibilizacija į ligandą priklauso nuo to, ar kuris nors iš jų sumažina receptorių
1) receptoriaus pašalinimas iš ląstelės paviršiaus (receptorių sukelta endocitozė) arba
2) receptoriaus pakeitimai, mažinantys afinitetą ligandui arba dėl kurių jis negali pradėti ląstelių funkcijos pokyčių (pvz., Fosforilinimas).
Desensibilizacija gali sukelti toleranciją - reiškinį, dėl kurio prarandamas kai kurių vaistų, kuriems buvo paskirta daugiau vaistų, veiksmingumas.
Receptorių surišimas suaktyvina „iš anksto užprogramuotą“ signalo perdavimo įvykių seką, kuri naudoja anksčiau neveikiančius ląstelių procesus.

G baltymai

G Baltymai, susieti su GTP, yra aktyvūs, tie, kurie yra susieti su BVP, ne.
Dvi G baltymų klasės yra dideli heterotrimeriniai G baltymai ir maži monomeriniai G baltymai.
Kai heterotrimeriniai G baltymai (G alfa, beta, gama), kai pasiuntinys susieja su G baltymu susijusį receptorių, receptorius keičia konformaciją, kad būtų galima susieti trimerinį G baltymą su receptoriumi.
G-alfa subvienetas jungiasi su guanino nukleotidu (BVP arba GTP).
Dėl šios sąveikos G alfa subvienetas išleidžia BVP, surenka GTP ir atsiskiria nuo komplekso.
Priklausomai nuo atitinkamo G baltymo, GTP-G alfa kompleksas, G beta-G gama kompleksas arba abu suriša tikslinį (-ius) baltymą (-us).
G alfa liks aktyvuojantis pasiuntinys, kol GTP nebus hidrolizuotas G alfa subvienetu (GTP -> BVP +Pi).
„Neaktyvus“ BVP-G alfa vėl susiejamas su G-beta: G-gama kompleksu, kad greitai pašalintų šį kelią, kai bus pašalintas pradinis stimuliuojantis signalas.

Didelis skaičius G baltymų suteikia signalų perdavimo įvykiams įvairovės.
Kai kurie suriša kalio ar kalcio jonų kanalus neuromediatoriuose.
Kai kurie aktyvina kinazes (enzimus, kurie fosforilina).
Kai kurie iš jų sukelia arba išleidžia pagrindinius antrinius pasiuntinius, tokius kaip ciklinis AMP (cAMP) ir kalcio jonai.

ciklinis AMP yra antrasis pasiuntinys, kurį naudoja pagrindinė G baltymų klasė.
ciklinį AMP (cAMP) generuoja adenililciklazė, kuri yra įterpta į plazmos membraną ir atlieka fermentinį aktyvumą citoplazmoje.
Adenililciklazė suaktyvinama surišant aktyvuotą Gs G baltymo (GTP-Gs) alfa subvienetą.
Fosfodiesterazė nuolat skaido cAMP, todėl nesant ligando ir aktyvaus G baltymo, cAMP lygis sumažėja.
Baltymų kinazė A (PKA), priklausanti nuo cAMP, yra pagrindinis cAMP tarpląstelinis taikinys.
PKA fosforilina daugybę baltymų, turinčių pagrindinį trumpą aminorūgščių ruožą - PKA fosforilinimo vietą (PKA PO4 vieta).
PKA perkelia fosfatą iš ATP į seriną arba treoniną PKA PO4 vietoje.
cAMP aktyvuoja katalizinius subvienetus, sukeldamas neigiamų reguliavimo subvienetų išsiskyrimą.

G baltymų signalizacijos sutrikimas sukelia keletą žmonių ligų.
Vibrio cholerae (sukelia cholerą) išskiria choleros toksiną, kuris žarnyne pakeičia druską ir skystį, kurį paprastai kontroliuoja hormonai, kurie aktyvuoja Gs G baltymą, kad padidintų cAMP.
Choleros toksinas fermentiniu būdu keičia Gs, todėl negali konvertuoti GTP į BVP.
Tada G negalima deaktyvuoti, o cAMP lygis išlieka didelis, todėl žarnyno ląstelės išskiria druską ir vandenį.
Galų gale dehidratacija gali sukelti mirtį (cholerą).

Daugelis G baltymų naudoja inozitolio trifosfatą ir diacilglicerolį kaip antrąjį pasiuntinį G baltymų susietą receptorių.
Gp G-baltymas yra suaktyvinamas ligandu, surišančiu su G baltymu susietą receptorių, kad aktyvuotų fosfolipazę C.
Fosfatidilinozitolio-4,5-bisfosfatą (PIP2) fosfolipazė C skaido į dvi molekules citozolinio inozitolio-1,4,5-trifosfato (InsP3) ir membranos surišto diacilglicerolio (DAG).
InsP3 receptorius, ligandų valdomas kalcio kanalas endoplazminiame tinkle, jungiasi su InsP3 ir kalcio jonai išsiskiria į citozolį.
Kalcis suriša baltymą, žinomą kaip kalmodulinas, o Ca-kalmodulino kompleksas suaktyvina daugybę procesų.
DAG lieka surištas su membrana ir aktyvuoja proteinkinazę C (PKC).

Kalcis kaip signalas

Nors kiti baltymai suriša kalcį, kad kontroliuotų veiklą, dažniausiai prisijungimas prie baltymo kalmodulino, kad susidarytų kalcio-kalmodulino kompleksas, yra tarpinis etapas.
Kai yra kalcio jonų, du suriša kiekvieną rutulinį galą (iš viso 4), tada spiralinė rankos sritis keičia konformaciją (aktyvus kompleksas), o po to apvynioja
tikslinių baltymų kalmodulino surišimo vieta.
Dažnai tai yra baltymų kinazės ir baltymų fosfatazės, kurios skiriasi priklausomai nuo tikslinės ląstelės (skirtingos ląstelės turi skirtingą atsaką).

Gyvūnų kiaušinių apvaisinimas atskleidžia svarbų kalcio sukelto signalo perdavimo pavyzdį po sąveikos tarp receptorių ir ligandų.
Iš pradžių sperma suriša kiaušinio paviršių prie membranos, o per 30 sekundžių iš spermos sąlyčio vietos pasklinda kalcio išsiskyrimo banga.
Du pagrindiniai tręšimo įvykiai priklauso nuo kalcio išsiskyrimo.
1) Kalcis stimuliuoja žievės granulių susiliejimą su kiaušinio plazmos membrana, kad pakeistų kiaušinį supantį sluoksnį, kad būtų išvengta kitos spermos ląstelės prisijungimo prie kiaušinio (lėtas blokas iki polispermijos).
2) Kalcis inicijuoja kiaušinių aktyvavimą, medžiagų apykaitos procesų atnaujinimą.

Azoto oksidas kaip signalas

Tirozino kinazės receptoriai

Receptorių tirozino kinazės gali inicijuoti Ras/MAP kinazės signalo perdavimo kaskadą
Fosfotirozino turinčios vietos suriša SH2 turinčius baltymus, todėl suaktyvėja mažas Ras monomerinis baltymas.
Kai epidermio augimo faktoriaus receptorius (EGFR) yra autofosforilinamas kaip atsakas į EGF ligandą, GRB2 (turintis SH2 domeną) ir Sos (guanino nukleotidą atpalaiduojančio baltymo: GNRP) kompleksas suriša receptorių.
Taigi „Sos“ suaktyvinamas, kad „Ras“ išleistų BVP, o tai leistų Rasui susieti naują GTP ir tapti aktyviu.
Kai aktyvus, Ras sukelia kaskadą (Ras kelią), apimančią mitogeno aktyvuotas baltymų kinazes (MAPK).
Pastaba: mitogenas yra augimo faktoriaus signalas.
Receptorių tirozino kinazės aktyvuoja įvairius signalizacijos kelius
RTK gali suaktyvinti tam tikrą fosfipazės C ir fosfatidilinozitol-3-kinazės (PI3K) formą.

Augimo faktoriai

Augimo faktoriaus signalizacijos per receptorių tirozino kinazių sutrikimas gali turėti didelį poveikį embriono vystymuisi.
Fibroblastų augimo faktoriai (FGF) ir fibroblastų augimo faktoriaus receptoriai (FGFR) veikia tiek embriono, tiek suaugusiųjų signalizacijos metu.
FGFR yra svarbūs vystantis mezodermai - embrioniniam audiniui, kuris ilgainiui tampa raumenimis, kremzlėmis, kaulais ir kraujo ląstelėmis.
Mutantinis receptorius, kuris dėl dimerizacijos su normaliomis FGFR versijomis turi dominuojantį slopinamąjį poveikį normaliam aktyvumui, yra dominuojanti neigiama (dn) mutacija.
Dn mutantinė FGFR mRNR versija, įpurškta į varlių kiaušinius, sukelia mezoderminio audinio vystymosi nesėkmę ir gamina buožgalvius su galvomis, bet be kūnų.
Žmonėms FGFR defektai sukelia achondropliją (nykštuką) ir tanatoforinę displaziją - sunkius kaulų sutrikimus (mirtinus kūdikystėje).

Serino/treonino kinazės receptoriai fosforilina ir serino, ir treonino liekanas (ne tiroziną) ir perduoda kitų tipų augimo faktoriaus signalus.
Transformuojantis augimo faktoriaus beta (TGF ir szlig) prisijungimas prie receptorių sukelia I ir II tipo TGF ir szlig receptorių grupavimą.
I tipo receptoriai yra fosforilinami II tipo receptoriais.
Suaktyvinti I tipo receptoriai fosforilina specifinius receptorių sukeltus SMAD.
Aktyvinti receptorių sukeltos SMAD jungiasi prie bendrų SMAD ir patenka į branduolį, kad galėtų sąveikauti su DNR surišančiais baltymais, kad reguliuotų genų ekspresiją.

Hormonai

Hormoninius signalus galima klasifikuoti pagal atstumą, kuriuo jie nukeliauja, kad pasiektų tikslines ląsteles.
Endokrininis hormonas keliauja per kraujotakos sistemą, o parakrininis hormonas veikia tik šalia esančias ląsteles.
Parakrininis hormonas yra maždaug lygus augimo faktoriui.
Endokrininiai audiniai išskiriami tiesiai į kraują, o egzokrininiai audiniai – į kanalus, kad sekretas perneštų į kitas kūno dalis.
Kasa atlieka endokrinines (insulino ir gliukagono) ir parakrinines (virškinimo fermentų) funkcijas.
Patekę į kraujotakos sistemą, endokrininiai hormonai galiausiai pasieks tikslinį (-ius) audinį (-ius), pvz., širdį ir kepenis (epinefrinas) arba kepenis ir skeleto raumenis (insuliną).
Tiksliniame audinyje tarpląstelinis poveikis, pvz., CAMP kelio aktyvavimas, gali valdyti daugybę ląstelių funkcijų.
Vienas iš pavyzdžių yra epinefrino prisijungimas prie beta adrenerginių receptorių, PKA aktyvinimas, skatinantis glikogeno skaidymą.

Insulinas suaktyvina daugybę tarpląstelinių poveikių, fosforilindamas jo substrato IRS insulino receptorių kompleksą.
Tai savo ruožtu suaktyvina 1) Ras-MAPK kelią ir 2) PI3K/akt kinazės kelią, kuris aktyvuoja (ir inaktyvuoja) daugybę baltymų.

Gyvūnų hormonų cheminės savybės
Yra keturios (4) endokrininių hormonų kategorijos.
1) aminorūgščių dariniai (epinefrinas)
2) peptidai (antidiurezinis hormonas [vazopresinas])
3) baltymai (insulinas)
4) į lipidus panašūs hormonai, įskaitant steroidus (testosteroną)
Paracrininiai hormonai yra histaminas (histino darinys) ir prostaglandinai (arachidono rūgšties dariniai).


Vabzdžių uoslės aptikimo molekuliniai mechanizmai: už receptorių ribų

Vabzdžiai klesti įvairiose ekologinėse nišose, daugiausia dėl jų labai sudėtingų uoslės sistemų. Per pastaruosius du dešimtmečius pagrindinis dėmesys vabzdžių uoslės tyrimui buvo skirtas uoslės receptorių vaidmeniui tarpininkaujant neuronų atsakams į aplinkos chemines medžiagas. In vivo, šie receptoriai veikia specializuotose struktūrose, vadinamose sensilla, kurias sudaro neuronai ir ne neuroninės paramos ląstelės, ekstraląstelinis limfos skystis ir tikslios formos odelė. Nors sensilla yra būdinga vabzdžių kvapo jutimui, mes tik pradedame suprasti jų struktūrą ir funkciją. Čia apžvelgiame naujausius darbus, kurie parodo, kaip kvapo sukeltą neuronų veiklą veikia jutiminė morfologija, limfos skysčio biochemija, papildomos signalinės molekulės neuronuose ir fiziologinis susiliejimas tarp jutiminių ląstelių. Šie pasiekimai atskleidžia daugiasluoksnius molekulinius ir ląstelinius mechanizmus, kurie lemia vabzdžių kvapo sukeltų reakcijų selektyvumą, jautrumą ir dinaminį moduliavimą.

1. Įvadas

Vabzdžiai yra viena iš sėkmingiausių eukariotų klasių Žemėje, sudaranti maždaug pusę visų sausumos rūšių [1]. Jie užima neįtikėtinai įvairias buveines, apimančias atogrąžų miškus, dykumas ir poliarinių regionų kraštutinumus. Daugelis rūšių daro didelę įtaką žmonių sveikatai, nes atlieka ligų pernešėjų [2], pasėlių apdulkintojų [3] ir žemės ūkio kenkėjų [4] funkcijas. Vabzdžių ekologinis prisitaikymas iš dalies priklauso nuo jų sudėtingų uoslės sistemų, leidžiančių aptikti ir reaguoti į daugybę lakių signalų aplinkoje.

Anatominių, fiziologinių ir elgsenos vabzdžių uoslės aspektų tyrimai turi ilgą istoriją XX amžiuje, naudojant įvairias pavyzdines rūšis [5]. Per pastaruosius du dešimtmečius ypatingas dėmesys buvo skiriamas uoslės receptorių [6–8], taip pat neuronų grandinių, kuriose jie yra išreikšti, ir kvapo valdomo elgesio, kurį jie kontroliuoja, nustatymui ir funkciniam apibūdinimui [9, 10], ypač viduje Drosophila melanogaster. Yra dvi pagrindinės vabzdžių uoslės receptorių klasės: kvapiųjų receptorių (OR) [11,12] ir jonotropinių receptorių (IR) [13]. AR yra septynių praėjimų transmembraninių jonų kanalų šeima, o IR yra trijų eigų transmembraniniai baltymai, tolimai susiję su sinaptiniais jonotropiniais glutamato receptoriais (iGluR) [6–8,14]. Dauguma uoslės jutimo neuronų (OSN) išreiškia du skirtingus atokiausius arba IR: unikalų „derinimo“ receptorių, kuris atpažįsta ligandų ar kvapiųjų medžiagų rinkinį, ir papildomą receptorių (ORCO-atokiausiems ir IR8a arba IR25a-IR). Žinoma, kad šie receptoriai neatpažįsta jokių natūraliai susidarančių ligandų, tačiau suformuoja heteromerinius kompleksus su derinimo receptoriais, kad būtų galima nukreipti ir signalizuoti jutimo blakstienas [15–17].

Nors ir OR, ir IR yra – kaip kvapo valdomi jonų kanalai – teoriškai pakanka, kad kvapas paverstų ląstelių membranų depoliarizaciją, jie veikia sudėtingose ​​jutimo struktūrose, vadinamose sensilla (1 pav.a) [21]. „Sensilla“ atrodo kaip į plaukus panašios iškyšos ant vabzdžių uoslės organų išorinio paviršiaus, antenų ir žandikaulių. Kiekvienas jutiklis apima stereotipinį OSN derinį (iki keturių colių) D. melanogasteris), apsuptas įvairių ne neuronų palaikančių ląstelių. OSN blakstienoti dendritai, kuriuose yra lokalizuoti uoslės receptoriai, yra akytoje sensilumo ašyje ir yra maudomi limfos skystyje. Tokia organizacija leidžia neuronų jutimo membranoms būti arti kvapiosios aplinkos, tačiau apsaugotos nuo fizinės žalos.

1 pav. Vabzdžių uoslės jutiminė morfologija. (a) Scheminis kvapo jutiklio vaizdas (išsamiau žr. Tekste). Įdėklas: reprezentatyvūs pagrindinių uoslės sensilla morfologinių klasių elektronų mikroskopiniai vaizdai, čia iš D. melanogasteris antenos (pritaikytos iš [18]). (b) Trichoido sensilumo elektronų mikroskopinis vaizdas iš B. mori [19]. (c) Elektroninės mikroskopijos vaizdas D. melanogasteris trichoid sensillum (at4), paruoštą naudojant „CryoChem“ metodą, ir vaizduojamas naudojant en bloc sunkiųjų metalų dažymas (pritaikytas iš [20]).

Čia apžvelgiame naujausius uoslės sensilla vystymosi, morfologijos, biochemijos ir fiziologijos tyrimus, taip pat keletą tinkamų panašių chemosensorinių sensilla pavyzdžių, kurie tarpininkauja vabzdžių skoniui [22]. Šie pasiekimai pabrėžia, kad cheminio aptikimo procesas priklauso nuo daug daugiau nei vien receptorių.

2. Uoslės sensilla morfologija ir ląstelių biologija

Egzistuoja keletas sensoralinių tipų (pvz., Bazinis, trikozinis ir koelokoninis), kurie išsiskiria daugybe morfologinių savybių: ilgis, plotis, odelių storis ir porų (per kurias praeina cheminės medžiagos) skaičius ir dydis bei neuronų blakstienų išsišakojimo sudėtingumas (1 pav.).a) [21]. Įvairių jautrumo klasių OSN dažnai specializuojasi tam tikrų tipų kvapams aptikti, pavyzdžiui, feromonams aptikti reikalingi trichoidiniai sensilla neuronai, o bazinės sensilla neuronai dažniausiai aptinka maisto kilmės kvapus [9]. Šis funkcinis ryšys kartu su jautrių tipų išsaugojimu daugelyje vabzdžių rodo, kad šios morfologinės savybės yra svarbios jų vaidmeniui aptikti kvapą.

Jutiminis paviršius yra pirmasis kontaktinis taškas tarp kvapo molekulės ir jutimo aparato. Taigi ankstyvosiose pastangose ​​buvo ieškoma išsamių išorinės jutiminės morfologijos aprašymų naudojant elektroninę mikroskopiją (EM) [21]. Šie tyrimai neseniai buvo išplėsti, derinant didelės skiriamosios gebos atominės jėgos mikroskopiją (AFM) ir skaičiavimo modeliavimą kvapo molekulių elgesiui šalia jautriosios žarnos [23, 24]. EM ir AFM atskleidė, kad trijų skirtingų kandžių rūšių trispalvė sensilla - kukurūzų auskaras (Helicoverpa zea), bella kandis (Utethesia ornatrix) ir šilko kandis (Bombyx mori) - yra padengtos poromis ir keteromis (1 pav.)b) [19,23,24]. Į B. mori, šie morfologiniai duomenys buvo naudojami atliekant aerodinamines simuliacijas jautriame paviršiuje. Šios analizės parodė, kad keteros padeda sukurti mažus sūkurius, kurie galėtų palengvinti feromonų molekulių patekimą į sensilines poras [24]. Tokie modeliavimai gali padėti paaiškinti stebėtinus ankstyvo darbo, naudojant radioaktyviai pažymėtus feromonus, pastebėjimus, kurie apskaičiavo, kad maždaug 25% ant jutiminio paviršiaus adsorbuotų feromonų molekulių suaktyvina OSN [25], o tai yra daugiau nei 50 kartų didesnis efektyvumas, nei buvo prognozuota vien oro srautas ir porų matmenys [24]. Kituose modeliavimo metoduose buvo atsižvelgta į kvapo aerodinamiką ištisų uoslės organų [26] kontekste, kuriuose būdinga didelė morfologinė įvairovė įvairiose rūšyse [27]. Pvz., Daugelyje kandžių antenų yra sensilų masyvai išilgai kelių lygiagrečių antenų atšakų, organizacija, kuri greičiausiai padidins oro tūrį, kad būtų galima aptikti nedidelius feromonų kiekius [27].

Jausminės odelės susidarymas priklauso nuo ne neuronų atraminių ląstelių, kurios išskiria sudedamąsias makromolekules, ypač chitiną ir baltyminius komponentus [21]. Įvairius plauko regionus sudaro atskiri atraminių ląstelių tipai, iš kurių jie ir gavo savo pavadinimą: tekogenas (apvalkalo ląstelė), trichogenas (stiebo ląstelė) ir tormogenas (lizdinė ląstelė) [21]. Kaip tiksliai nustatoma jutimo odelių struktūra, iš esmės nežinoma, tačiau neseniai atliktas darbas D. melanogasteris suteikė svarbių įžvalgų apie porų formavimąsi kotelyje, bent jau žandikaulio delno bazinėje sensilla. Transmission EM revealed that during basiconic sensillum development, the trichogen elongates from the external surface of the epithelium and develops undulations in its plasma membrane where the cuticle envelope layer is secreted [28]. Ultra-thin regions in this envelope that form between protrusions of the plasma membrane correlate with where pores will develop. Screening for genes expressed specifically in the trichogen during development, combined with RNA interference (RNAi)-based functional testing, identified the transmembrane protein Osiris 23/Gore-tex (Osi23) as an important contributor to this process in this sensillar class [28]. Loss of Osi23 led to the disappearance of the plasma membrane undulations, resulting in the formation of a sensillum surface lacking pores consequently, neuronal responses to odours are dramatically reduced [28]. Osi23 localizes to endosomes, but how it influences plasma membrane morphology is unknown. Interestingly, other members of the Osi family are expressed in cuticle-secreting cells elsewhere in the fly (e.g. those lining the tracheae), hinting at a common role for this insect-specific protein family in shaping cuticular structures [28].

The second key contact point for odours is on the cilia membranes where olfactory receptors are localized. While the construction of OSN cilia and targeting of receptors to this compartment is likely to rely on the conserved intraflagellar transport pathway that is central to the assembly of other types of cilia [29,30], additional potential molecular regulators of these processes have emerged from reverse and forward genetic studies in D. melanogasteris. For example, inspired by the intimate relationship between cilia function and Hedgehog signalling in vertebrates [31], analysis of OSNs lacking different components of this pathway in flies revealed a contribution to the efficient cilia localization of ORs and robust odour-evoked responses [32]. Unexpectedly, localization of the co-receptor ORCO is apparently insensitive to loss of the Hedgehog pathway. This observation suggests that Hedgehog signalling is required for the assembly of OR/ORCO complexes and/or that ORCO subunits alone can use an independent transport pathway to cilia.

Unbiased genetic screens in D. melanogasteris revealed a requirement for a lipid transporter homologue, ATP8B, in odour-evoked responses of several OSN classes, including those expressing OR67d, a receptor for the sex and aggregation pheromone 11-cis vaccenyl acetate (cVA) [33,34]. ATP8B is expressed and required in OSNs and localized to the ciliated dendrites. The transporter belongs to the P4-type ATPase family, which is thought to flip aminophospholipids (e.g. phosphatidylserine) between membrane leaflets. A predicted enzymatically inactive version of ATP8B fails to rescue the mutant phenotype, while a mammalian homologue can complement the defect, suggesting that the lipid flippase function is critical for its role in OSNs. How lipid composition impacts OR signalling is unclear. One report proposed a role in OR trafficking to cilia, based upon observations of reduced OR67d levels in the cilia of ATP8B mutant animals [33]. However, another study saw no defect in OR22a localization upon ATP8B knockout [34]. This discrepancy could reflect differences in the effect of ATP8B function on distinct ORs in different sensillar types, or the inherent difficulty in reliably quantifying protein levels in OSN cilia. It is also possible that lipid composition affects cilia morphology and/or the acute function of these ion channels, as in other biological contexts [35,36].

A significant impediment to relating ultrastructural features of sensilla to molecular components is the difficulty in using standard EM labelling methods. In other tissues, techniques combining EM and genetic labelling have facilitated the integration of morphological and molecular information [37–39]. For example, a diaminobenzadine (DAB)-oxidizing enzyme can be expressed in specific tissues or organelles, where its location is subsequently visualized by staining the oxidized DAB with EM-detectable electron-dense osmium tetraoxide (OsO4) [20,40–44]. However, the preservation of tissue ultrastructure during OsO4 staining necessitates chemical fixation or cryofixation [45]. Neither of these fixation methods have been easily applied to sensilla because the cuticle is impermeable to chemical fixatives, and cryofixation precludes labelling with DAB-oxidizing enzymes, severely curtailing its utility.

This challenge was recently addressed with the development of the ‘CryoChem' method, in which samples are rehydrated after cryofixation and high-pressure freezing [20]. This treatment preserves sensillar ultrastructure and creates a tissue environment amenable to fluorescent protein and APEX2 (a DAB-labelling protein) function, as well as en bloc heavy metal staining (figure 1c) [20]. CryoChem has been used in D. melanogasteris to create three-dimensional reconstructions of several distinct, genetically marked OSNs in different sensilla by serial block-face scanning EM [20,46]. These observations provide useful insights into the relationship between OSN anatomy and olfactory physiology, as discussed below.

Together, these studies emphasize the wealth of cell biological detail that still remains to be discovered in sensilla. Even when proteins essential for sensilla formation are identified by genetic approaches, their mechanism of action can remain unclear [28,47,48]. Further progress requires both continued technical development to visualize the cuticular and membrane ultrastructure of sensilla and mechanistic and developmental characterization of protein function in both OSNs and support cells.

3. Non-receptor proteins in olfactory signalling pathways

Olfactory receptors are the central mediators of odour-evoked neuronal responses, often (but not always) sufficient to confer ligand-evoked membrane depolarization in heterologous cell types. However, olfactory signalling in a native context depends upon the interactions of odours with numerous other molecules, as well as the regulation of receptor function (figure 2).

Figure 2. Non-receptor proteins involved in olfactory signalling. Schematic depicting different classes of proteins that act with ORs in pheromone signal transduction (see text for details). The precise path(s) and molecular interactions of pheromone molecules within the sensillum remain unknown.

After entering the sensillum, odours must diffuse through the sensillar lymph, an aqueous ionic mixture rich in secreted proteins and proteoglycans [49]. The rate and efficiency with which odours are able to move into the sensillum and through the lymph to reach the OSN membrane is dependent on both the physico-chemical properties of the odours themselves [50,51] and their interactions with proteins in the lymph. Among the lymph proteins, odorant-binding proteins (OBPs) are the most well-studied, although their function remains enigmatic [52]. Members of this family of small, secreted proteins are expressed by sensillar support cells in defined, but often overlapping, sensillar types [53]. In vitro, OBPs can bind a multitude of odours with varying degrees of specificity and undergo conformational changes upon ligand binding [52,54]. A historical model for OBP function is that they associate with and transport hydrophobic ligands through the lymph fluid to the OSN here, they release the odour to the receptors, possibly triggered by local differences in pH near the cilia membranes or through hypothetical interactions of OBPs with cilia membrane proteins [54]. Data from studies on pheromone signalling systems in both D. melanogasteris and moths is generally consistent with this model, but recent work with other OBPs is not [52], as we discuss below.

Į D. melanogaster, the OBP LUSH (also known as OBP76a) is required for electrophysiological and behavioural responses to the pheromone cVA [55]. Supraphysiological concentrations of pheromone can evoke some neuronal activity [56], indicating that while LUSH may play a role in delivering cVA to the cognate receptor (OR67d), it is not an integral part of the signal transduction machinery. Neseniai in vivo work in moths has yielded similar results, with genetic knockdown or knockout of pheromone-binding OBPs resulting in 20–60% reductions in global pheromone-evoked antennal electrical activity [57–63] and similar decreases in behavioural responses [57,59,61,63]. The more modest phenotypes observed in moths relative to those in D. melanogasteris may be due to methodological differences of these studies, but could also reflect functional redundancy between co-expressed moth OBPs [57].

In contrast with pheromone-interacting OBPs, analysis of family members expressed in other sensillar types in D. melanogasteris has revealed subtler, and sometimes unexpected, roles. Loss of OBP28a in one basiconic sensillum class (ab8) resulted in increased physiological responses to odorants [53], suggesting a role in gain control of odour-evoked activity. However, OBP28a is expressed in several other sensillar classes (which, unlike ab8, express additional abundant OBPs), and responses of these sensilla to other odours were slightly diminished in Obp28a mutants [64]. Some OBPs are functionally redundant: simultaneous loss of the co-expressed OBP83a and OBP83b [53] led to delayed deactivation of neuronal responses after odour removal for a subset of OSNs importantly, this phenotype was rescued by re-expression of either individual protein [65]. In several cases, OBP function has remained elusive: comprehensive expression and mutational analysis of OBPs in six basiconic sensilla classes revealed that simultaneous loss of all proteins within a given sensillum had either no or very minor impact on the responses of OSNs to odour stimuli, which spanned diverse chemical classes, a wide concentration range and varied temporal dynamics [66]. It is possible that these proteins only function in particular biological contexts, as has been suggested for OBP69a, whose expression in pheromone-sensing sensilla is modulated by social interactions of flies [67].

Together, these results indicate that OBPs have diverse, odour-specific and neuron/receptor-specific roles, although the biochemical mechanisms remain unclear in any case. These proteins could be acting as a sink for some odorants, lowering background signals by preventing less ecologically pertinent chemicals from being able to reach receptors. Alternatively, they could clear ligands away after the initial stimulus to preserve the temporal connection between an encounter with an odour and neuronal activity. They could also contribute by binding endogenous lymph molecules: for example, OBP59a is expressed in apparently poreless sensilla in the antenna and is essential for hygrosensory behaviours in D. melanogasteris, a sensory modality that may not depend upon binding of external molecules [68]. While connecting OBPs' capacity to bind ligands in vitro with their physiological and behavioural functions in vivo remains a substantial challenge, the appreciation that there may not be a universal function for this protein family may help researchers to maintain an open mind in future explorations.

Other soluble proteins in the sensillar lymph include chemosensory proteins (CSPs) [69,70], Niemann Pick-type C2 (NPC2) homologues [71–76] and odorant-degrading enzymes (ODEs) [77]. CSPs and NPC2 homologues bind myriad small compounds in vitro [70,71,73,75], but their in vivo functions are almost completely unknown. Some contributions may not necessarily be related to sensory detection: recent work in the malaria mosquito (Anopheles gambiae) demonstrates that genetic variants of the leg-enriched CSP SAP2 confer insecticide resistance [78]. These observations suggest that this CSP acts in sequestration/detoxification of environmental chemicals that enter the body through chemosensory sensilla on these appendages.

ODEs are thought to degrade odour molecules in the sensillar lymph [77], which could reduce background neuronal activity and/or regulate odour-evoked temporal dynamics. The first reported ODEs were members of an antennal-specific esterase family [77,79]. Work over the last two decades has discovered other classes of putative ODEs, including some membrane-bound Cytochrome P450s [80–84]. The best-studied ODEs are D. melanogasteris Esterase 6 and juvenile hormone esterase duplication [85], which evolved from an ancestral juvenile hormone esterase orthologue [86]. These enzymes do not degrade juvenile hormone, but rather break down volatile esters [85,87–89]. Although the exact contributions of these and other ODEs to odour-evoked neuronal responses and behaviour remain unclear [87–90], the loss of the juvenile hormone esterase duplication appears to cause modest decreases in olfactory and behavioural responses to fruit esters [89].

In addition to molecules secreted by support cells, proteins in these cells' membranes may contribute to olfactory signalling. Į D. melanogasteris, the ammonium transporter Amt is thought to be expressed exclusively in the support cells of a coeloconic sensillum class that houses an ammonia-sensing neuron [48]. Genetic analysis revealed that loss of Amt leads to greatly diminished responses to ammonia stimulation [48]. The A. gambiae Amt orthologue functions as an ammonia transporter in vitro [91], but it is unclear exactly how this activity might contribute to olfactory detection in vivo. One hypothesis is that Amt transports ammonia out of the lymph to lower the basal concentration of this chemical near the OSN dendrites, thereby helping to minimize tonic adaptation of the ammonia-sensing neuron [48]. However, a recent analysis of A. gambiae Amt using transgenic tools indicated that this gene is expressed in both support cells and OSNs [92], raising questions about its cellular site(s) of action. Regardless of the precise mechanism, Amt represents an interesting case where an integral membrane transporter can directly affect olfactory detection. Many other uncharacterized putative transporter proteins are expressed in the antenna [48], and it will be interesting to determine whether any of these have analogous roles.

Non-receptor proteins in the OSN cilia membrane can also play important roles in olfactory transduction. The best characterized is Sensory Neuron Membrane Protein 1 (SNMP1), a two-pass transmembrane protein related to the mammalian CD36 family [93]. SNMP1 was originally characterized in moths for its expression and ciliary localization in pheromone-sensing neurons [94], properties that are broadly conserved in insects [95–98]. Mutational analysis in D. melanogasteris demonstrated that SNMP1 is essential for OR67d-mediated responses to cVA [95,99]. However, the requirement for SNMP1—like that of the OBP LUSH—can be bypassed by very high concentrations of this pheromone [100], indicating it is not a strictly essential part of the receptor complex. The important role of SNMP1 in pheromone detection in D. melanogasteris is likely to be conserved in other insects. For example, RNAi of Snmp1 į B. mori impairs the ability of males to locate and mate with females, processes that depend heavily upon pheromone detection [98]. Mammalian CD36 proteins bind/transport lipid-like molecules in diverse cellular contexts, and the partial ability of a murine CD36 homologue to rescue Snmp1 mutantai D. melanogasteris [97] has guided mechanistic studies of SNMP1 function. A homology model of SNMP1, based on the crystal structure of the CD36 protein LIMP-2, predicts that the SNMP1 ectodomain has a hydrophobic cavity [97], which may act as a conduit for transporting hydrophobic pheromone molecules from the extracellular lymph to a closely apposed OR complex in the cilia membrane [95,97,101,102]. While the mechanism remains to be fully established, the critical requirement for OBPs and SNMP1s in the detection of pheromones, but not other types of odours, may be related to the biochemical challenges of concentrating generally large and highly hydrophobic pheromone ligands at the surface of the OSN membranes.

Olfactory neuron responses can be further modulated by other signalling molecules after receptor activation. A longstanding question is how insect ionotropic olfactory receptors attain sufficient sensitivity without signal amplification by second messengers, which is inherent to vertebrate metabotropic chemosensory receptor transduction [103]. Recent work offers a solution to this problem by providing evidence that the degenerin/epithelial sodium channel Pickpocket 25 (PPK25) amplifies ligand-evoked currents downstream of certain olfactory receptors [104]. Į D. melanogasteris, the genetic knockout or overexpression of PPK25 decreases or increases, respectively, the physiological sensitivity of Or47b OSNs [104], a class of pheromone-sensing neurons involved in courtship behaviour [105,106]. These effects are dependent on calmodulin, as a mutation of a calmodulin-binding motif in PPK25 or pharmacological inhibition of calmodulin mimics loss of PPK25 [104]. Interestingly, this role of PPK25 can also be observed for OSNs expressing IR84a, which recognizes food-derived odours that promote courtship behaviour [107], and for a population of gustatory sensory neurons (GSNs) that detects non-volatile pheromones [104]. The revelation that this PPK acts as a signal amplifier, rather than a sensory receptor, in these different classes of neurons has potentially broad significance: many members of the D. melanogasteris PPK family have been implicated in diverse sensory modalities but it has been unclear (with one exception [108,109]) whether they are the sensory receptors or not [110–124]. These channels may have analogous roles beyond sensory systems for example, PPK11 and PPK16 modulate presynaptic membrane voltage at the neuromuscular junction to regulate homeostatic plasticity [125].

Some olfactory receptor subunits may also act as modulators of receptor activity, rather than binding ligands themselves. For example, several IR-expressing OSNs express—in addition to a tuning receptor and co-receptor—a third receptor protein, IR76b [13]. Some evidence points to IR76b acting as a critical component of a putative tripartite olfactory receptor complex [17,126], which is also concordant with the broad expression and function of this protein in various GSN populations [126–132]. However, a distinct role for IR76b in limiting, rather than contributing to, ligand-evoked responses has emerged through analysis of a population of GSNs that detect both sugars and acetic acid. Here, the mutation of IR76b leads to increased ligand-evoked physiological responses, with a corresponding enhancement of behavioural sensitivity [133]. The function of IR76b as a dampener of neuronal responses exhibits some specificity, as the sensitivity of a mammalian capsaicin receptor that is ectopically expressed in these sugar/acid-sensing neurons is not affected in Ir76b mutantai. Moreover, ectopic IR76b expression in other neuronal populations does not reduce their physiological responsiveness [133]. The context-dependent modulatory role of IR76b is reminiscent of mosquito carbon dioxide receptors, which comprise two subunits that are essential for ligand-evoked responses, and a third that may modulate ligand-evoked sensitivity [134–136]. The mechanistic basis of receptor subunit modulation is unknown in any case, but these findings highlight the intricate regulation that may occur between subunits within (putative) heteromeric complexes to shape ligand-dependent ion conduction.

4. Biophysical properties and intercellular regulation of olfactory sensory neuron responses

OSN signalling consists of two physiological processes: first, odour-dependent gating of the olfactory receptor channel, ion flow and cilia membrane depolarization, and second, conversion and propagation of this initial signal by voltage-gated channels in the form of action potentials (or spikes) down the OSN axon [137–139] (figure 3). The first of these processes can be detected as changes in a sensillum's local field potential (LFP), representing the transient electrical potentials in the sensillum generated by OSNs, as well as contributions from the ion transport activities of support cells [138,139]. LFP dynamics reflect signal transduction properties that are determined by the specific nature of odour ligand/receptor interactions, while the temporal dynamics of spiking can be described by a linear filter that is stereotyped across different OSN classes [138,140].

Figure 3. Peripheral olfactory physiological processes. (a) An idealized drawing of a sensillar olfactory response, illustrating the two main physiological processes. (b) Schematic of a sensillum depicting regions where these physiological responses occur. Although spikes are thought to be generated in the OSN axons, they can be detected experimentally in the dendrites in the sensillum shaft, possibly through backpropagation.

Most olfactory physiological studies do not measure LFP and use spike frequency as the sole proxy for reporting odour-evoked neuronal activity [138,141,142]. While spikes represent the information that is transmitted to the brain, a comprehensive appreciation of peripheral OSN physiology is crucial to understand responses to naturalistic odour stimuli. Odours exist as plumes comprising pockets of air containing wide-ranging concentrations of chemicals. OSNs respond to this temporally complex stimulus pattern in diverse ways, such as desensitization to strong stimuli, or sensitization to repeated weak stimuli [137,138,140,143,144]. LFP and spike rate exhibit very different adaptation kinetics [138,140] and also appear to adapt in response to different aspects of the odour stimulus. For example, LFP, but not spike rate, adapts strongly in response to changes in the mean stimulus intensity [140]. By contrast, both LFP and spike rate are influenced by the variance in an odour stimulus, although the adaptation dynamics of each component differs [140]. LFP and neuron spiking are, of course, intimately connected phenomena, and while the kinetics of spike rate and LFP are distinct, the dynamics of changes in spike amplitude are nearly identical to those of LFP [145]. Together, these analyses reveal the sophistication with which OSNs encode different aspects of odour stimuli and emphasize that measurement of spike frequency alone does not fully capture OSN responsiveness and therefore our ability to understand how odour-evoked neuron activity arises.

The molecular basis of the dynamic physiological properties of OSNs remains unclear. Most analyses have focused on structure/activity dissection of ORCO, providing evidence that sensory adaptation relies upon modulation of both receptor localization and sensitivity. This co-receptor (and, presumably, its partner tuning OR) were observed to be depleted from cilia upon prolonged odour exposure, although this was measured only over a multi-day time scale [146]. Activity-dependent control of ORCO localization may rely on calmodulin: RNAi of calmodulin or mutation of a predicted calmodulin-binding motif in ORCO's second intracellular loop disrupts its cilia localization, with consequent defects in odour-evoked activity [146]. Physiological studies have provided additional evidence for the role of calcium signalling and/or calmodulin in ORCO-dependent sensitization of neurons to repeated odour stimulation [147] and sensory adaptation of OR-expressing neurons [148]. The same loop of ORCO also contains three potential phosphorylation sites [144,149,150]. Mutation of these sites reduces ORCO's conduction properties in heterologous cells [149] and diminishes OSN sensitivity and behavioural responses to odours in vivo [150]. In addition, mutation of ORCO's phosphorylation sites prevents odour sensitization [143]. One of these sites, S289, is dephosphorylated in vivo upon OSN desensitization [144,151]. An ORCO S289A mutation reduces OSN sensitivity in vivo, and a phospho-mimetic mutant (ORCO S289D ) reduces the magnitude of OSN desensitization after odour exposure [144]. These studies begin to unveil the complexity of olfactory receptor regulation that contributes to the temporal response properties of OSNs, but also make apparent the challenge of cleanly dissecting effects on receptor localization and/or activity.

The molecular regulation of other types of olfactory receptors is essentially unknown, although N-glycosylation has been implicated in the control of IR localization and activity [152]. Electrophysiological studies indicate that Or and Ir neurons have distinct temporal response properties [148,153], at least some of which appear to be dependent on the receptors themselves [153]. Moreover, the acute contribution of pathways implicated in sensillar development, such as Hedgehog signalling or the lipid flippase ATP8B (discussed above), remains to be explored.

Beyond autonomous regulatory mechanisms in OSNs, recent work has characterized the interdependence of the activity of different OSNs within the same sensillum. In many sensillar classes, the activity of one OSN is inhibited upon activation of a neighbouring neuron [154]. Blocking synaptic transmission does not prevent such inhibitory interactions between the two OSNs [154], nor is there evidence for gap junctions between paired OSNs. These observations suggest that the inhibition occurs through ephaptic coupling [46,154], a phenomenon in which the activity of one neuron alters the local electric field to impair depolarization of a nearby neuron. In support of this hypothesis, simultaneous recording of two different sensilla that are artificially coupled by a metal electrode demonstrated that continuous stimulation of a neuron in one sensillum can be inhibited by excitation in the adjacent sensillum [46]. Moreover, the combination of these observations with EM analysis of defined neuron types via CryoChem (described above) revealed that the inhibitory effect is stronger when exerted from a larger OSN onto a smaller OSN [46]. A plausible explanation for this asymmetric relationship is that bigger neurons are expected to have lower input resistance and a greater dendritic surface area to allow for a higher maximal LFP [46], hinting at a previously unappreciated link between OSN morphology and physiology. Future work will determine how such ephaptic interactions impact odour coding, in particular of complex natural odour blends.

Work on GSNs in the bumblebee (Bombus terrestris) provides interesting additional insights into how, and why, neurons within the same sensillum communicate [155]. Recordings from a highly sensitive sugar sensing neuron in ‘type A' sensilla on the mouthparts revealed an unusual bursting pattern of spikes upon stimulation with high concentrations of sucrose [155]. The end of the spike burst coincides with a single spike from a second neuron in this sensillum. Introduction of a gap junction inhibitor into the sensillum led to the continuous sucrose-evoked firing of the first neuron, suggesting that—in contrast with the ephaptic inhibition described in olfactory sensilla—the second neuron terminates the first neuron's spike train via electrical synapses (these structures have not, however, been visualized directly). Importantly, this bursting pattern of firing prevents neuronal desensitization, which may explain the ability of bees to sustain feeding behaviour on high-sugar nectar [155].

5. Conclusion and perspectives

The discovery of insect olfactory receptors has been instrumental in understanding how these animals detect environmental odours, as well as facilitating the development of molecular tools to map and manipulate olfactory circuits. However, receptors alone do not define the exquisite sensitivity, specificity and temporal precision observed in odour-evoked neuronal activity. We have highlighted the complexity of peripheral signal transduction in olfactory sensilla, and the extraordinary wealth of biology that remains to be uncovered. It is clear that many neuronal, non-neuronal and secreted molecules that participate in this process (or rather processes) have still to be characterized [156]. Moreover, determination of the in vivo function of most proteins in defining signalling properties, and how these impact behavioural responses, will require technical innovations to permit their acute inhibition to distinguish roles in sensillar development from direct contributions to signal transduction. Finally, while investigating insect olfactory transduction is of widespread interest in sensory neuroscience and chemical ecology, many of the insights gained are likely to have broad relevance for understanding molecular and cellular communication processes across diverse tissues and species.


Signalo perdavimas

As living organisms we are constantly receiving and interpreting signals from our environment. These signals can come in the form of light, heat, odors, touch or sound. The cells of our bodies are also constantly receiving signals from other cells. These signals are important to keep cells alive and functioning as well as to stimulate important events such as cell division and differentiation.

Signals are most often chemicals that can be found in the extracellular fluid around cells. These chemicals can come from distant locations in the body (endocrine signaling by hormones), from nearby cells (paracrine signaling) or can even be secreted by the same cell (autocrine signaling).

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

Signaling molecules may trigger any number of cellular responses, including changing the metabolism of the cell receiving the signal or result in a change in gene expression (transcription) within the nucleus of the cell or both.

Overview of Cell Signaling

Cell signaling can be divided into 3 stages.

1. Reception: A cell detects a signaling molecule from the outside of the cell. A signal is detected when the chemical signal (also known as a ligand) binds to a receptor protein on the surface of the cell or inside the cell.

2. Transduction: When the signaling molecule binds the receptor it changes the receptor protein in some way. This change initiates the process of transduction. Signal transduction is usually a pathway of several steps. Each relay molecule in the signal transduction pathway changes the next molecule in the pathway.

3. Response: Finally, the signal triggers a specific cellular response.

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

Membrane receptors function by binding the signal molecule (ligand) and causing the production of a second signal (also known as a second messenger) that then causes a cellular response. These type of receptors transmit information from the extracellular environment to the inside of the cell by changing shape or by joining with another protein once a specific ligand binds to it. Examples of membrane receptors include G Protein-Coupled Receptors and Receptor Tyrosine Kinases.

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

Intracellular receptors are found inside the cell, either in the cytopolasm or in the nucleus of the target cell (the cell receiving the signal). Chemical messengers that are hydrophobic or very small (steroid hormones for example) can pass through the plasma membrane without assistance and bind these intracellular receptors. Once bound and activated by the signal molecule, the activated receptor can initiate a cellular response, such as a change in gene expression.

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

Transdukcija

Since signaling systems need to be responsive to small concentrations of chemical signals and act quickly, cells often use a multi-step pathway that transmits the signal quickly, while amplifying the signal to numerous molecules at each step.

Steps in the signal transduction pathway often involve the addition or removal of phosphate groups which results in the activation of proteins. Enzymes that transfer phosphate groups from ATP to a protein are called protein kinases. Many of the relay molecules in a signal transduction pathway are protein kinases and often act on other protein kinases in the pathway. Often this creates a phosphorylation cascade, where one enzyme phosphorylates another, which then phosphorylates another protein, causing a chain reaction.

Also important to the phosphorylation cascade are a group of proteins known as protein phosphatases. Protein phosphatases are enzymes that can rapidly remove phosphate groups from proteins (dephosphorylation) and thus inactivate protein kinases. Protein phosphatases are the "off switch" in the signal transduction pathway. Turning the signal transduction pathway off when the signal is no longer present is important to ensure that the cellular response is regulated appropriately. Dephosphorylation also makes protein kinases available for reuse and enables the cell to respond again when another signal is received.

Kinases are not the only tools used by cells in signal transduction. Small, nonprotein, water-soluble molecules or ions called second messengers (the ligand that binds the receptor is the first messenger) can also relay signals received by receptors on the cell surface to target molecules in the cytoplasm or the nucleus. Examples of second messengers include cyclic AMP (cAMP) and calcium ions.

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

Atsakymas

Cell signaling ultimately leads to the regulation of one or more cellular activities. Regulation of gene expression (turning transcription of specific genes on or off) is a common outcome of cell signaling. A signaling pathway may also regulate the activity of a protein, for example opening or closing an ion channel in the plasma membrane or promoting a change in cell metabolism such as catalyzing the breakdown of glycogen. Signaling pathways can also lead to important cellular events such as cell division or apoptosis (programmed cell death).

/>
Signal Transduction Tutorial by Daktarė Katherine Harris is licensed under a „Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0“ neportuota licencija.


A. G-Protein Mediated Signal Transduction by PKA (Protein Kinase A)

GTP-binding proteins (G-Proteins) transduce extracellular signals by inducing production of antrasis pasiuntinys molecules in the cells. When hormones or other effector (signal) molecules bind to their membrane receptors, an allosteric change on the cytoplasmic domain of the receptor increases the affinity of the cytoplasmic domain the receptor for G proteins on the inner plasma membrane surface. G proteins are trimers consisting of (alpha ), (eta ) and (gamma ) subunits, embedded in the cytoplasmic surface of responsive cell membranes. G-protein-mediated signal transduction is illustrated in the seven steps shown on the next page.

The receptor changes shape upon binding its effector signal molecule (steps 1, 2). In this conformation, the receptor recognizes and binds to the G-protein trimer on the cytoplasmic surface of the plasma membrane (step 3). Upon binding of the trimer to the receptor, GTP displaces GDP on the (alpha ) subunit of the G-protein (step 4).

After a conformational change, the (alpha ) subunit dissociates from the (eta ) and (gamma ) subunits (step 5). In this illustration, the GTP-(alpha ) subunit can now bind to a transmembrane enzyme, adenylate cyclase (step 6). Finally, the initial extracellular chemical signal is transduced to an intracellular response involving second messenger molecules (step 7). In this case, the second messenger is cAMP. The well-known fight-or-flight response to adrenaline in liver cells of higher animals is a good example of a cAMPmediated cellular response. After adrenalin binds to its receptors, G-proteins in turn bind to the cytoplasmic side of the receptor, which then binds to adenylate cyclase. cAMP binds to and activates baltymų kinazė A (PKA), setting off the amplification cascade atsakymas. Some details of a G-protein mediated signal amplification cascade are detailed in the illustration on the next page.

After activation of adenylate cyclase (steps 1 and 2 in the drawing), cAMP is synthesized and binds to two of the four subunits of an inactive PKA (step 3). A conformational change dissociates the tetramer into two cAMP-bound inert subunits and two active PKA subunits (step 4). Kiekvienas active PKA enzyme catalyzes phosphorylation and activation of an enzyme called phosphorylase kinase (step 5).

In step 6, phosphorylase kinase catalyzes glycogen phosphorylase fosforilinimas. Finally, at the end of the phosphorylation cascade, the now active glycogen phosphorylase 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 sprendimą.

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.
  • Aktyvinimas 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.