细胞稳态的维持是生物体生存的基础,而这种稳态的维持往往依赖于不同组织对环境压力的协调反应。近年来,越来越多的研究表明,中枢神经系统不仅负责调控神经活动,还能影响全身其他组织的应激反应。特别是当神经元中的线粒体未折叠蛋白反应(UPR)被激活时,外周组织的细胞会发生非自主性的应激反应。这种非自主应激反应对于生物体在恶劣环境中的生存至关重要。 UPR
是细胞应对蛋白质错误折叠或展开的一种机制,当这种反应被激活时,细胞会通过信号传递将信息传递到细胞核,从而启动应激反应,甚至在某些情况下,诱导细胞凋亡。嗅觉系统在这一过程中发挥了重要作用,它不仅在感知环境信号方面至关重要,还能够在体内平衡和长寿调节中起到非自主调控的作用。先前的研究表明,嗅觉神经元在环境信号的评估和细胞反应的启动方面起着核心作用。然而,嗅觉神经系统如何在调控线粒体应激反应中的角色一直未被完全揭示。 嗅觉神经元与线粒体应激反应的关系 加州大学伯克利分校的研究人员使用线虫模型秀丽隐杆线虫,探讨了嗅觉神经元在非自主调控线粒体 UPR 中的作用。研究集中在线虫的主要嗅觉神经元 AWC
上,探讨其对线粒体 UPR 的调控能力。AWC 神经元位于线虫的头部,是感知挥发性化合物的关键器官。在该研究中,研究人员通过沉默或消融 AWC
神经元,观察其对线粒体应激反应的影响。 研究背景下,秀丽隐杆线虫虽然是以细菌为食的生物,但其组织也需要抵御食源性病原体如铜绿假单胞菌的攻击。这些组织不仅要抵御外部威胁,还需要处理线粒体产生的有毒代谢物,如活性氧。此前的研究表明,当线虫感染铜绿假单胞菌时,其线粒体
UPR
会被激活,从而诱导与先天免疫反应相关的基因表达。然而,线虫在自然环境中接触到的细菌种类繁多,包括致病菌和共生菌。如何区分这些细菌,成为研究嗅觉神经元的关键。 实验与发现:嗅觉神经元的核心作用 为了验证嗅觉神经元在调控线粒体 UPR 中的作用,研究团队进行了多项实验。他们首先通过遗传手段操控 AWC 神经元,然后观察线虫线粒体 UPR
的变化。他们发现,沉默或消融 AWC 神经元的线虫,线粒体 UPR 的诱导和氧化磷酸化水平显著降低。这些线虫的线粒体 DNA
也明显减少,显示出线粒体自噬的迹象。 此外,研究人员还发现,AWC 神经元的消融能够增强线虫对铜绿假单胞菌的抵抗力,这一过程与应激激活转录因子 atfs-1
的激活密切相关。研究进一步发现,血清素信号通路在这一过程中起到了关键作用。当线虫的血清素通路受到影响时,其线粒体应激反应会显著减弱,而外源性血清素则能够恢复这一反应。 研究还探讨了挥发性细菌代谢物如
2,3-戊二酮对线粒体动力学的影响。结果显示,嗅觉感知这些代谢物可以非自主地调节线粒体的外周动力学,这一调控作用并未在血清素通路受影响的线虫中观察到。这一发现表明,嗅觉神经系统可能通过检测细菌代谢物,非自主地调节外周组织的应激反应,为生物体准备应对诸如病原菌感染或代谢压力等挑战。 嗅觉神经元的调控模型与未来展望 总体而言,该研究揭示了嗅觉神经元在调控线粒体动力学和应激反应中的核心作用。研究结果不仅强调了嗅觉系统在环境感知中的重要性,还为我们提供了一个新的视角,理解嗅觉信号如何通过非自主途径影响外周组织的生理功能。这一发现对于进一步理解体内平衡的调控机制具有重要意义。 尽管研究已经初步揭示了嗅觉信号与线粒体应激反应之间的联系,但这一领域仍有许多未解之谜。例如,线粒体自噬等过程的具体调控机制仍需深入研究。未来的研究可以进一步探讨嗅觉神经元在不同应激条件下的反应,以及它们如何通过信号传递影响其他组织的功能。 随着研究的深入,嗅觉神经元在调节生物体应对环境变化中的关键作用将会得到更全面的认识。这不仅有助于理解基础生物学问题,还可能为开发新型疾病治疗策略提供理论基础。例如,通过调控嗅觉神经元或其信号通路,或许可以改善某些与代谢失调相关的疾病状况。这些研究方向将为生命科学和医学领域带来新的突破。