麝香化合物活化人类嗅觉受体的分子机制研究
发布时间：2020-08-09 12:27
【摘要】：麝香化合物被广泛的应用于香料工业和传统医药,已有2000多年悠久的历史。然而对于麝香嗅觉受体(odorant receptor,OR)活化机制的研究鲜有报道,因为到目前为止,由于缺乏嗅觉受体的晶体学模型,使得在分子水平上了解嗅觉受体的活化机制成为该领域的挑战之一。本课题结合生物学实验和计算生物学模型对麝香类化合物活化人类嗅觉受体的机制进行综合分析。我们借助嗅觉受体的异源表达体系,筛选得到两个麝香嗅觉受体OR5AN1和OR1A1,接着检测它们对大环麝香、硝基麝香、多环麝香这三类合成麝香以及结构类似物的反应谱,并对OR5AN1的配体进行筛选以研究嗅觉受体对气味配体反应的特异性和选择性。结果显示OR5AN1是一个高度特异性的人类麝香嗅觉受体,能被大环麝香和硝基麝香活化,硝基麝香的反应活性普遍优于大环麝香,其中纳摩尔级的酮麝香就能有效活化OR5AN1。此外,OR5AN1对部分环状亚砜化合物以及氟化的环酮也有反应活性,而OR1A1仅与硝基麝香反应。通过检测OR5AN1对一系列含氟麝香酮结构类似物的反应情况,并对相应的氟化衍生物的X射线结构进行解析,最终对其与OR5AN1反应的优势构象进行分析和描述。我们利用同源模建、量子力学/分子力学(quantum mechanics/molecular mechanics,QM/MM)和分子动力学模拟的方法构建了OR5AN1和OR1A1的结构模型,并对相关麝香化合物结合能加以分析并运用定点突变实验对该模型进行评估。结构模型显示OR5AN1上的第六跨膜区的260位的酪氨酸残基与相应麝香配体形成氢键相互作用,其结合口袋周围的疏水氨基酸残基105、194和207位的苯丙氨酸与配体形成疏水相互作用。另外,OR1A1则通过其第六跨膜区的258位的酪氨酸残基与硝基麝香配体形成氢键,251位酪氨酸和206位的苯丙氨酸提供疏水相互作用。基于原子的三维定量构效关系(quantitative structure activity relationship,QSAR)模型显示输水相互作用和氢键作用分别对气味分子与受体相互作用有77%和13%的贡献。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R285
【图文】：
当挥发性的气味分子进入鼻腔后，被特异性的嗅觉受体识别和结合，导致与嗅觉受体偶联的 G 蛋白（Golf）活化并脱离，进一步激活腺苷酸环化酶 III（type IIIadenylyl cyclase，ACIII），使细胞内第二信使环磷酸腺苷（cyclic adenosinemonophosphate，cAMP）增加，Ca+和 Na+通过被 cAMP 激活的环核苷酸门控通道（cyclic nucleotide-gated channel，CNGC）内流进入细胞内，使膜去极化产生动作电位[3]，从而把气味分子的化学信号转变为电信号，该电信号通过神经元轴突传递到嗅球，信息到达嗅球中的不同嗅小球（glomerulus），在嗅小球交换神经元，再传递给帽状细胞（mitral cell）。信息在嗅球中经过处理后，形成空间和时间的编码，编码后的信息传达至大脑皮层中的嗅觉中枢，最终形成不同的气味嗅觉感知[4, 5]（图 1）。在啮齿类动物体内还存在另外一套嗅觉系统，即犁鼻系统（vomeronasal system，VNS）。一般认为一些非挥发性的大分子化学物质被犁鼻系统中的犁鼻器（vomeronasal organ，VNO）识别，如信息素等[6]。
图 2：小鼠嗅球前背内侧的嗅小球参与麝香酮的特异性应答。Figure 2：Anterodorsomedial glomeruli in the mouse OB respond to muscone.摘自[58]六、论文的主要研究内容带着上述问题，本课题在之前针对麝香嗅觉受体的研究发现的基础上，筛选多个不同类别的麝香分子的嗅觉受体，得到了 OR5AN1 和 OR1A1 这两个人类麝香嗅觉受体，并检测它们对不同结构和类别的麝香化合物及其结构类似物的反应谱，研究嗅觉受体对气味配体反应的特异性和选择性。借助构象不同的一系列氟化麝香酮衍生物，对其与 OR5AN1 反应的优势构象进行分析和描述。麝香具有药用和工业双重价值，在香料及中医药领域的应用已经有 2000 多年的悠久历史，然而对于麝香嗅觉受体活化机制的研究鲜有报道，因为到目前为止，
胞数、细胞健康程度、转染效率和非特异性细胞反应对结果的影响，使主报告基因的结果归一化，有效规避假阳性或者假阴性结果。其检测原理示意图如图所示（图3）。图3：双荧光素酶报告基因实验（Dual-Glo luciferase assay）检测嗅觉受体功能的原理示意图。Figure 3：A schematic diagram of the Dual-Glo luciferase assay to examine the odorant receptorresponse.摘自[68]双荧光素酶报告基因实验的操作步骤如下：1. 种细胞：用胰酶消化处理Hana3A细胞，200 x g离心5min，加入适量M10培养液（含10%FBS的MEM）重悬，每块96板需要的细胞总数为2×106，或者约为100mm培养皿铺满时细胞总量的20%，将细胞接种于96孔板（Greiner）中，培养过夜。2. 转染：观察和确认细胞状态正常，每个孔内的细胞密度为30%-50%
本文编号：2787117
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R285
【图文】：
当挥发性的气味分子进入鼻腔后，被特异性的嗅觉受体识别和结合，导致与嗅觉受体偶联的 G 蛋白（Golf）活化并脱离，进一步激活腺苷酸环化酶 III（type IIIadenylyl cyclase，ACIII），使细胞内第二信使环磷酸腺苷（cyclic adenosinemonophosphate，cAMP）增加，Ca+和 Na+通过被 cAMP 激活的环核苷酸门控通道（cyclic nucleotide-gated channel，CNGC）内流进入细胞内，使膜去极化产生动作电位[3]，从而把气味分子的化学信号转变为电信号，该电信号通过神经元轴突传递到嗅球，信息到达嗅球中的不同嗅小球（glomerulus），在嗅小球交换神经元，再传递给帽状细胞（mitral cell）。信息在嗅球中经过处理后，形成空间和时间的编码，编码后的信息传达至大脑皮层中的嗅觉中枢，最终形成不同的气味嗅觉感知[4, 5]（图 1）。在啮齿类动物体内还存在另外一套嗅觉系统，即犁鼻系统（vomeronasal system，VNS）。一般认为一些非挥发性的大分子化学物质被犁鼻系统中的犁鼻器（vomeronasal organ，VNO）识别，如信息素等[6]。
图 2：小鼠嗅球前背内侧的嗅小球参与麝香酮的特异性应答。Figure 2：Anterodorsomedial glomeruli in the mouse OB respond to muscone.摘自[58]六、论文的主要研究内容带着上述问题，本课题在之前针对麝香嗅觉受体的研究发现的基础上，筛选多个不同类别的麝香分子的嗅觉受体，得到了 OR5AN1 和 OR1A1 这两个人类麝香嗅觉受体，并检测它们对不同结构和类别的麝香化合物及其结构类似物的反应谱，研究嗅觉受体对气味配体反应的特异性和选择性。借助构象不同的一系列氟化麝香酮衍生物，对其与 OR5AN1 反应的优势构象进行分析和描述。麝香具有药用和工业双重价值，在香料及中医药领域的应用已经有 2000 多年的悠久历史，然而对于麝香嗅觉受体活化机制的研究鲜有报道，因为到目前为止，
胞数、细胞健康程度、转染效率和非特异性细胞反应对结果的影响，使主报告基因的结果归一化，有效规避假阳性或者假阴性结果。其检测原理示意图如图所示（图3）。图3：双荧光素酶报告基因实验（Dual-Glo luciferase assay）检测嗅觉受体功能的原理示意图。Figure 3：A schematic diagram of the Dual-Glo luciferase assay to examine the odorant receptorresponse.摘自[68]双荧光素酶报告基因实验的操作步骤如下：1. 种细胞：用胰酶消化处理Hana3A细胞，200 x g离心5min，加入适量M10培养液（含10%FBS的MEM）重悬，每块96板需要的细胞总数为2×106，或者约为100mm培养皿铺满时细胞总量的20%，将细胞接种于96孔板（Greiner）中，培养过夜。2. 转染：观察和确认细胞状态正常，每个孔内的细胞密度为30%-50%
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 刘宇红，熊培文，王振川，李会勇，伦玉敏，熊伟;异色满类香料化合物的合成及其进展[J];精细化工;1994年06期
本文编号：2787117
本文链接：https://www.wllwen.com/yixuelunwen/zhongyaolw/2787117.html
