动物细胞的多功能细胞器——鞭毛、纤毛和微绒毛（3）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2017年第8期第7页）

6 静纤毛和微绒毛在味觉中的作用

味觉是动物对外来分子结构的认知，其主要目的是辨别食物和毒物。例如甜味预示着糖类分子，鲜味预示蛋白质和氨基酸，提示动物可以使用，苦味则警告动物这些分子可能有毒应该避免。陆生动物还需要水，需要无机盐，但是又需要避免高浓度的盐水，所以早期的动物还发展出了对水、低浓度盐水和高浓度盐水的味觉。动物对味道的感觉也是通过位于静纤毛上的味觉受体实现的。

6.1 线虫用静纤毛尝味道 线虫（Caenorhabditis elegans）是主要生活在土壤中的简单多细胞动物，以细菌为食，身体呈线状，两头尖，成虫有959个体细胞，其中302个是神经细胞。就是这样简单的动物，也已经有味觉，而且是通过静纤毛实现的。

线虫在身体的前端和后端各有一对感受外界分子的感受器。位于身体最前端的感受器称为头感器（amphid）；位于肛门后方，靠近尾部的感受器称为尾感器（phasmid）。头感器有一个由2个支持细胞包围成的孔，感觉神经细胞发出的静纤毛通过孔与外界接触。静纤毛上有对外界分子的受体，例如受体ODR-10就能够与联乙醯 （diacetyl，2个乙酰基对接的产物，对人有强烈的奶油味）结合。TYRA-3则是酪胺（tyramine）的受体，这些受体都是G蛋白偶联的受体（G protein-coupled receptor，GPCR），在线虫的静纤毛上超过1 000种。由于线虫只有少数味觉细胞，所以每根静纤毛上有多种味觉受体，说明线虫只能简单地分辨“有害”还是“无害”，而不像哺乳动物那样，每根静纤毛只包含1种味觉受体。

线虫感知低氯化钠溶液的受体不是GPCR，而是一类叫degenerine（DEG）的受体分子。这类分子是一种钠离子通道，它们能够感知低浓度的氯化钠溶液并且打开通道，让钠离子进入细胞，降低膜电位而触发神经脉冲。不仅是线虫，其他动物，包括蜗牛、昆虫、青蛙，甚至是哺乳动物（包括人在内），都用这类受体感知氯化钠，所以是动物的“咸味受体”。在哺乳动物中，这种受体称为上皮钠离子通道（epithelial sodium channel，ENaC），二者统称为DEG/ENaC。

6.2 昆虫的味觉也依靠静纤毛 典型的昆虫味觉感受器是位于外皮上的空心的毛，毛的顶端有一个开口，内部有数个感觉神经细胞，通过它们的静纤毛（这里称为神经纤维）与外界接触。例如腿部的味觉感受器就有4个感觉神经细胞，分别为感受甜味（蔗糖）的S神经纤维、感受苦味（例如奎宁和黄连素）和高盐的L2神经纤维、感受低盐溶液的L1神经纤维和感受水的W神经纤维。甜味、低盐溶液和水都能使昆虫伸出口器，表示昆虫准备进食或喝水。反之，苦味和高盐会使口器缩回，表示昆虫想回避这些物质。

昆虫的味觉受体名称以Gr（gustatory receptor）开始，后面以数字表示不同的受体。例如Gr5a和Gr64a都为感受各种糖类分子所需，共同表达于感知甜味的S神经纤维上。对苦味的感觉需要Gr66a和Gr93a，它们共同表达于感觉苦味的L2神经纤维上。昆虫对咸味也是由DEG/ENaC类型的受体感觉的，表达于感受低浓度盐水的L1神经纤维上。除了感受甜、苦、咸等味道，昆虫还能够“尝”到水的“味道”。这是由表达于感知水的W神经纤维上的ppk28受体（pickpocket 28）实现的。

6.3 哺乳动物用微绒毛上的受体尝味道 哺乳动物的味觉功能主要是由口腔中的舌执行的。舌表面有感觉味道的结构，称为味蕾（taste bud），总数有数千个，每个味蕾含有50~100个味觉细胞，聚集成球状，埋于舌的上皮细胞中。每个味觉细胞在味蕾开口处发出微绒毛，上面有味道感受器。溶解于唾液的外来味觉分子和这些微绒毛上的受体分子结合，触发神经脉冲，所以哺乳动物的味觉不用静纤毛，而是用微绒毛，这也说明静纤毛和微绒毛在接收外界信息上的功能可以互换。

动物接收甜味和鲜味的受体属于GPCR中的T1R家族（T表示 taste，R表示 receptor，1是受体的类型）。这个家族只有3个成员，T1R1、T1R2、T1R3。受体T1R2和T1R3一起，形成混合型受体，就是甜味受体。能够同时结合于T1R2和T1R3受体的分子就被感知为甜味。受体T1R1和T1R3一起，形成混合受体，就是鲜味受体，能够同时结合于T1R1和T1R3受体上的分子就被感觉为鲜味。哺乳动物感受苦味的受体也是G蛋白偶联的受体GPCR，属于里面的T2R家族。T2R家族有约30个成员，以结合不同类型的苦味物质。哺乳动物对酸味（pH降低）的感觉是由TRP类型的受体（TRPP3）感知的，在pH值降低到5.0左右时被激活，从而在神经系统中产生酸的感觉。感受咸味的受体则是上文提及的DEG/ENaC。

7 静纤毛和微绒毛在嗅觉中的作用

嗅觉探测的主要是存在于空气中的分子，但是这些分子也必须先溶解于水，才能与受体分子结合，产生嗅觉信号。从这个意义上讲，嗅觉与味觉并无根本的区别，嗅觉受体也很容易从味觉受体转变而来。动物使用的嗅觉受体和味觉受体也非常相似，也使用静纤毛或微绒毛作为感受气味的结构。

7.1 昆虫用静纤毛感受气味 昆虫（例如果蝇）的嗅觉分子受体（odorant receptor，OR）是表达在触角（antennae）和下颚须（maxillary palp，口器旁边的一对触须）上的。它们上面长有毛形感器（sensillum），即突出表皮的毛状物。毛形感器有多种，其中的锥状感受器（basiconic sensillum）表达嗅觉受体。锥状感受器突出于表皮之外，内有淋巴液，感觉神经细胞发出的静纤毛就浸泡在淋巴液中，上面有嗅觉受体。锥状感受器的外皮上有许多小孔，空气中的味觉分子经过这些小孔进入感受器，溶解在淋巴液中，再被转运至纤毛的嗅觉感受器上，从而传递嗅觉信息。

昆虫的嗅觉受体（odorant receptor，OR）和昆虫的味觉受体（gustatory receptor，Gr）一样，也含有7个跨膜区段，它们的羧基端的氨基酸序列有相同之处，这说明OR和Gr有共同的祖先。

7.2 脊椎动物用静纤毛或微绒毛作为嗅觉感受器 哺乳动物，包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的动物，都用鼻腔内的嗅觉细胞探测各种分子的味道。

鱼类在水中生活，鼻腔不是用于呼吸，而是用于嗅觉。水从鼻腔前面的小孔进入，从鼻腔后方的小孔流出，鼻腔内的嗅觉细胞就可以探测水中一些分子的“气味”，虽然这些分子不是存在于空气中，而是溶在水中的。鱼类也有味蕾，但是不在鼻腔内，而是在唇、鳃、口腔和咽喉中，所用的受体也与鼻腔中的不同，所以鱼类的嗅觉和味觉是不同的感觉，虽然引起嗅觉和味觉的分子都是溶在水里的。青蛙是两栖动物，有用于在空气中呼吸的肺，鼻腔中不同的腔室有不同的嗅觉受体。中腔（middle cavity）总是充满水，用于在水中的嗅觉，其嗅觉受体类似鱼的嗅觉受体；主腔（primary cavity）内总是充满空气，用于在空气中呼吸，其嗅觉受体也与哺乳动物的嗅觉受体类似。从爬行动物开始，动物多在陆上生活，用肺呼吸，鼻腔中的嗅球（olfactory bulb）就是嗅觉神经细胞所在的部位。

对各种脊椎动物嗅觉细胞的研究表明，它们既可以用静纤毛，也可以用微绒毛作为嗅觉受体的所在地，例如鲨鱼、鳐鱼（ray）、银鲛（ratfish）只用微绒毛，八目鳗（lamprey）、蛇、青蛙、乌龟只用静纤毛，七鳃鳗（hagfish）、硬骨鱼类、蝾螈 2种都用，鸟类的同一嗅觉细胞上静纤毛和微绒毛都有。这些例子再次说明，细胞用于接收信号的结构只是突出于细胞的线状物，无论它是静纤毛还是微绒毛。

以此类推，如果静纤毛和微绒毛上有能够感知光线的受体，它们就可以成为接收光线信息的结构，在动物的视觉中发挥作用，实际情形也是如此。

8 静纤毛和微绒毛在视觉中的作用

视觉接收光线所携带的信息，而动物接收光信息的分子是视黄醛（retinal）。视黄醛分子中有一根由2个异戊二烯单位组成的链，里面所有的双键都是共轭的。在没有光照时，这根链处于“拐弯”的状态，即其中1个双键是“反式”的。光照使“弯棍”变为“直棍”，即全反式结构。视黄醛结合在一个称为视蛋白（opsin）的分子上，共同组成视紫质（rhodopsin）。视黄醛分子的形状变化会带动视蛋白分子的形状变化，而视蛋白又是G蛋白偶联的受体，在形状变化时可以活化G蛋白，将信息传递下去。

由于可见光的能量密度较低，若要感光细胞发出神经脉冲，需要大量的视紫质分子，这就需要大面积的细胞膜容纳这些视紫质分子。从理论上讲，微绒毛拥有巨大的表面积,自然适合用于这个目的，而每个细胞只拥有1根静纤毛，要扩大静纤毛的表面积，可以让静纤毛的结构扩展，横向长出许多片状结构,这样1根静纤毛也可以拥有巨大的表面积。

这2种方法还真的都被动物采用了。昆虫复眼中的感光细胞使用微绒毛，人眼视网膜上的视杆细胞和视锥细胞则使用静纤毛，但是人眼视网膜中的感光节细胞（与视力无关，接收的光信号用于调整生物钟）又使用微绒毛。在低等动物中，水母幼虫眼睛使用微绒毛,而水母成虫眼睛使用的却是静纤毛。

9 静纤毛在动物发育过程中的作用

要从由单细胞构成的受精卵这一个细胞发育成为有复杂结构的动物，细胞必须接收外部指令，静纤毛就是细胞接收信息的受体蛋白最佳的工作场所。Hedgehog（刺猬蛋白，hh）信息通路，特别是其中的 Sonic hedgehog（Shh）信息通路、Notch信息通路，以及Wnt信息通路在胚胎发育和组织器官形成上发挥关键作用，这些信息通路的起始蛋白都位于静纤毛上，例如刺猬蛋白信息通路中起始阶段的Smoothened和Patched就位于静纤毛上。血小板衍生生长因子受体α（platelet-derived growth factor receptor α，PDGFRa）位于静纤毛上，使细胞具有极性的Par3蛋白也位于静纤毛上。静纤毛缺失的小鼠在胚胎发育阶段就会死亡，这说明静纤毛在动物发育中的重要作用。

胚胎发育需要许多细胞准确无误地移动到它们最终的位置上，而静纤毛就是接收外部信息，决定细胞移动方向的结构，虽然静纤毛的位置并不在移动细胞的最前方，但静纤毛的方向也指向细胞移动的方向。创伤修复需要成纤维细胞（fibroblast）移向组织损伤处，细胞上面的静纤毛也指向伤口，静纤毛受损的成纤维细胞就不再对外界信号起反应，不能向伤口移动。在人的免疫系统中，嗜中性细胞接收感染处发出的化学信号，例如白介素-8（IL-8），干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ），并向感染处移动。如果静纤毛功能不正常，嗜中性细胞也不能对这些化学信号起反应。

10 纤毛病

由于纤毛，包括动纤毛和静纤毛，在动物发育和各种生理功能中的重要作用，纤毛功能异常会引起一系列症状，统称为纤毛病（ciliopathy）。由于不同的基因缺陷所影响纤毛功能的情形不同，纤毛病也有许多种，其中最著名的是巴德-毕德氏症候群（Bardet-Biodl Syndrome，BBS），其症状包括嗅觉丧失、听觉丧失、视网膜退化、智力障碍、多囊肾、肥胖、多指等。其他纤毛病还包括：

Jeune asphyxiating thoracic syndrome （JATD）、Orofaciodigitalsyndrome （OFD）、Nephronophthisis（NPHP）、Meckel Syndrome （MKS）、 Senior-Lohen Syndrome （SNLS）、Sensenbrenne-Joubent Syndrome（JBTS）、Alstrom Syndrome （ALSM）、Usher Syndrome（USH）、Laber Congenited Amaurosis （LCA）、Shortrib polydactyly syndrome （SRPS）、Ellis van Creveld Syndrome（EVC）、Kartageners Syndrome（KS）。

目前，对鞭毛、纤毛和微绒毛功能的研究还处在初期阶段，以上介绍的也只是其中的部分例子，许多问题还没有答案，但是从已经获得的研究结果来看，从领鞭毛虫继承下来的鞭毛和微绒毛，以及由鞭毛演变成的纤毛，包括动纤毛和静纤毛，在动物身上发挥的作用远超出人们的想象。就在你看这篇文章的时候，眼睛内的静纤毛就在不停地工作，身体各处的动纤毛、静纤毛和微绒毛也在发挥各自的作用，从而使人们得以正常生活和工作。所以应该像对待细胞的其他细胞器一样，对身体内的鞭毛、纤毛和微绒毛给以足够的重视。

（完）