作者:邢建华 来源:PNAS 发布时间:2016/5/19 22:03:01
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计算模型揭示嗅觉之谜

 

2016年5月9日,国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了匹兹堡大学医学院计算和系统生物系邢建华课题组题为 “Achieving diverse and monoallelic olfactory receptor selection through dual-objective optimization design” 的最新研究成果。该成果提出嗅觉系统采用三层调控机制以同时实现嗅觉受体多样性和单等位基因表达的双重目标。

嗅觉是我们人类是最重要,也是最神秘的感官知觉。我们的嗅觉系统可以区分一万多种气味,其机理一直是科学界研究的重要前沿课题。当气味分子传入鼻子,便会被各种各样的嗅觉神经元细胞探测到,并激活嗅觉神经元细胞发出信号到大脑。人类有近1000种不同类型的嗅觉受体基因,老鼠、狗等嗅觉敏感的动物则具有更多类型的嗅觉受体基因。2004年诺贝尔生理学或医学奖授予两位美国科学家,理查德·阿克塞尔(Richard Axel)和琳达·巴克(Linda Buck),以表彰两人在嗅觉受体和嗅觉系统组织方式的研究中作出的贡献。他们的其中一个重要发现是:一个嗅觉神经细胞只能表达一种嗅觉受体,即 “一个神经细胞一个受体”。这是一个非常有挑战的问题,一方面,嗅觉神经元细胞如何从1000多种受体选中且只选中一个,并维持这种选择直到神经细胞死亡;另一方面,1000多种受体应以几乎均等的机率被选中并表达以满足对嗅觉受体多样性的需求。这两个方面对于嗅觉系统的特异性和敏感性缺一不可。过去十几年的深入研究并未完全揭示其中的机理:虽然有大量新的实验现象被发现,但是这些实验现象之间似乎相互矛盾,难以协调。

在此项研究中,邢建华携其课题组成员基于已有实验事实建立理论模型,通过大量计算模拟提出了三层调控机制,诠释了嗅觉神经细胞是如何实现嗅觉受体的单等位基因表达并同时保持其表达的多样性。他们的计算模拟很好地解释了已有实验现象,与前人实验结果相辅相成,进一步证明了模型的正确。同时作者基于该模型做出了大量预测,并提出了相应的实验设计,为以后的实验验证提供了非常有用的指导,也为模型的进一步完善并做出更多的预测创造了条件。

匹兹堡大学医学院计算和系统生物系邢建华副教授为该论文的通讯作者。邢建华课题组博士后田晓军和博士生张航为该论文共同第一作者,布朗大学本科生Jens Sannerud在匹兹堡大学暑期研究期间也参与了部分工作。该项研究得到了美国国家科学基金和匹兹堡大学TECBio项目的支持。(来源:科学网)

 
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