2022年7月2日，《自然·通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了闫致强课题组的研究论文“Humidity response in Drosophila olfactory sensory neurons requires the mechanosensitive channel TMEM63”。该研究解析了果蝇湿度选择行为的神经和分子机制，首次鉴定了介导果蝇湿度选择行为的神经元群Or42b神经元，发现机械力门控离子通道 TMEM63在果蝇湿度感受中的必要作用及其转导机制，这些结果为机械力门控离子通道TMEM63是果蝇湿度感受的分子受体提供了有力的证据。
湿度是影响动物的生存与繁殖的一个重要因素，湿度感觉对维持动物水平衡至关重要。相对表面积较大的昆虫湿度感觉功能尤为敏锐，并能够通过湿度感觉提取环境信息，如利用湿度评价食物充足程度、决定叮咬宿主的行为以及确定水源位置[1]。湿度信息一直被认为是被转化为其他形式的物理量（如机械力和温度）而被温度或机械力敏感的分子间接感知的[1, 2]，可是这些理论长期以来缺乏分子证据的支撑。尽管有研究将离子型受体IR93a、IR25a、IR40a和IR68a鉴定为候选湿度受体分子[3-6]，但异源表达系统中研究这些分子本身的性质十分困难，阻碍了对湿度感觉转导的分子机制的进一步解析。
为了深入理解湿度感受细胞将湿度信息转换为电信号的过程以及其分子机制，实验室在前人基础上，摸索建立了快速检测果蝇湿度反应的湿度偏好选择行为学分析方法。利用该方法，通过选择性诱导所有已知的湿度感觉神经元的凋亡，首次鉴定了介导果蝇湿度选择行为的神经元群Or42b嗅觉感觉神经元。在进一步研究中，我们发现，当空气湿度增加时，Or42b 神经元树突支配的感器毛会发生由弯曲变伸直的形态变化，暗示湿度信息被转化为感器外壁上的机械力变化。这一有趣发现，将我们的目光集中到机械感觉相关的离子通道，通过对十多个已知或候选的机械敏感通道的果蝇突变体和基因敲低品系进行行为学筛选，发现机械力门控离子通道家族基因 Tmem63 纯合突变的果蝇表现出湿度选择行为的缺陷。TMEM63与拟南芥OSCA是同源基因，早在2018年，课题组就对拟南芥OSCA的结构和激活机制进行了深入的研究，证明OSCA为机械力敏感离子通道并提出其被细胞膜形变激活的模型[7]。如今，Tmem63基因敲除果蝇表现出的湿度选择行为缺陷，预示着将对TMEM63/OSCA的研究，从分子层面推向了生理层面。
那么，TMEM63在果蝇的湿度选择行为中是如何发挥作用呢？我们首先探究了Tmem63基因在果蝇的表达分布情况，发现其表达在所有的Or42b神经元中，并且TMEM63蛋白特异性表达定位在Or42b神经元外段树突特化形成的感觉纤毛上。触角叶钙成像的结果显示，Tmem63基因敲除果蝇的Or42b神经元丧失了对湿度变化的反应，而对气味刺激的反应与野生型相比没有显著差异。特异地在Tmem63纯合突变果蝇的Or42b神经元中过表达果蝇Tmem63基因或人源Tmem63b基因都可以挽救湿度感受功能的缺陷。并且，体外培养S2细胞中表达的果蝇 TMEM63 通道能被负压刺激激活，产生机械力门控的电流，表明 TMEM63 可能通过感受湿度依赖的机械力变化发挥湿度受体分子作用。
TMEM63介导的Or42b神经元湿度感觉转导模型
课题组的研究支持了机械敏感离子通道 TMEM63 可以通过检测感器上的微小形变介导湿度感觉，为机械感觉通路参与湿度感觉转导的理论提供了结构和分子的证据。因此，TMEM63 可能是迄今为止在动物界发现的第一个真正的湿度感觉的分子受体。此外，TMEM63 家族蛋白的生理功能仍然是个谜，该研究为 TMEM63/OSCA 家族蛋白的功能提供了新的见解。
复旦大学生命科学院博士研究生李松凌为本文第一作者，深圳湾实验室分子生理学研究所资深研究员闫致强为本论文通讯作者，复旦大学生命科学院研究员王敬文、博士厉冰雪和博士研究生高力参与了该项研究的部分工作。本工作得到了科技部科技创新 2030 —“脑科学与类脑研究”重大项目、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技重大项目、深圳市优秀科技创新人才培养项目、遗传工程国家重点实验室、医学神经生物学国家重点实验室、复旦大学和深圳湾实验室等方面的资助和支持。
参考文献
[1] Enjin A. Humidity sensing in insects-from ecology to neural processing[J]. Curr Opin Insect Sci, 2017, 24: 1-6.
[2] Merrick C., Filingeri D. The evolution of wetness perception: A comparison of arachnid, insect and human models[J]. J Therm Biol, 2019, 85: 102412.
[3] Knecht Z.A., Silbering A.F., Ni L., et al. Distinct combinations of variant ionotropic glutamate receptors mediate thermosensation and hygrosensation in Drosophila[J]. Elife, 2016, 5: e17879.
[4] Knecht Z.A., Silbering A.F., Cruz J., et al. Ionotropic Receptor-dependent moist and dry cells control hygrosensation in Drosophila[J]. Elife, 2017, 6: e26654.
[5] Frank D.D., Enjin A., Jouandet G.C., et al. Early Integration of Temperature and Humidity Stimuli in the Drosophila Brain[J]. Curr Biol, 2017, 27(15): 2381-2388.
[6] Enjin A., Zaharieva E.E., Frank D.D., et al. Humidity Sensing in Drosophila[J]. Curr Biol, 2016, 26(10): 1352-1358.
[7] Zhang M., Wang D., Kang Y., et al. Structure of the mechanosensitive OSCA channels[J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2018, 25(9): 850-858.
原文信息：
供稿 | 闫致强课题组
编辑 | 鲍 啦
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