▎學(xué)術(shù)經(jīng)緯/報道

此時此刻，吸上一口氣，你辨別出了進入鼻子的氣味有哪些——據(jù)估計，人類可以識別的氣味多達10000億種。除了聞出是什么，你還聞出各種氣味的濃淡，不由自主在記憶中搜尋氣味是否熟悉，確認是令人愉悅還是有中毒危險（比如，今天這碗牛肉面里竟然混入了半根香菜）。

我們擁有非凡而復(fù)雜的嗅覺，要感謝鼻腔內(nèi)的幾百萬個嗅覺感受神經(jīng)元，這些細胞上有接收氣味分子的受體。用來表達氣味受體的基因是個龐大的家族，幾乎占到人類基因的3%。

但奇怪的是，基因組里雖然有幾百個氣味受體基因，在每一個嗅覺受體神經(jīng)元里，卻只有一個氣味受體基因是活躍的。更讓人困惑的是，神經(jīng)細胞選中哪個氣味受體基因來表達，似乎是隨機的。這是不是有點“不靠譜”，怎么能保證我們產(chǎn)生多樣而精確的嗅覺？這個問題成了長久以來困擾神經(jīng)科學(xué)家的謎題。

現(xiàn)在，借助先進的基因組測序工具，哥倫比亞大學(xué)的研究人員首次在哺乳動物的細胞核內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種巧妙的三維重排機制。基因組通過協(xié)調(diào)各個神經(jīng)元中嗅覺受體基因的表達活性，讓神經(jīng)細胞用數(shù)量有限的基因保障大腦分辨出種類幾乎無限多的氣味。這項最新研究發(fā)表于今日上線的最新一期《Nature》。

研究人員的觀察對象小鼠大約有1000個氣味受體基因?！斑@些基因在小鼠的基因組中分布在約60個位點，分屬于不同的染色體，彼此之間相距甚遠。”該研究的第一作者Kevin Monahan博士介紹。按過去的看法，位于不同染色體上的基因即使會有相互作用，肯定也很少發(fā)生。

圖：小鼠的嗅覺受體基因是人的2倍多，由此來看小鼠的嗅覺很可能比人更靈敏（圖片來源：pexels）

然而，研究者采用一種被稱為原位Hi-C的染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)，發(fā)現(xiàn)染色體之間的相互作用竟然相當(dāng)頻繁，大大超出他們的想象?！斑@項革新性的技術(shù)讓我們能夠以三維立體的方式繪制出一個活細胞內(nèi)部的整套基因組。”該研究的共同一作、剛剛畢業(yè)的Adan Horta博士說，“我們可以用它在特定的時間點給細胞的基因組連續(xù)拍照?！?/span>

這些基因組的“連拍快照”顯示，嗅覺感覺神經(jīng)元的“前身”——祖細胞在挑選嗅覺受體基因進行表達之前，位列不同染色體上的嗅覺受體基因簇會開始移動。原先分散的基因一旦移動到了一起，一類叫作增強子的基因元素會聚起來，在染色體和染色體之間產(chǎn)生特異而堅固的相互連接。

▲從干細胞到祖細胞到分化成熟的嗅覺感覺神經(jīng)元，染色體之間的相互作用影響著嗅覺受體基因的表達（圖片來源：參考資料[2]）

增強子本身雖然不是編碼基因，但它們會調(diào)節(jié)編碼基因的活性。在此前的工作中，該研究團隊給這些增強子取名為“希臘島嶼”（Greek Islands），它們在染色體上的位置臨近各個嗅覺受體基因。

在這項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，一類叫作Ldb1的蛋白起到了重要作用?！跋ＥD島嶼”被Ldb1蛋白連在一起，進而“打開”特定的嗅覺受體基因使其表達，然后這一基因“團隊”對當(dāng)時的氣味做出反應(yīng)。

▲缺少Ldb1基因，染色體之間的相互作用大大減少，導(dǎo)致嗅覺受體基因表達減少（圖片來源：參考資料[1]）

 “可能正是因為這個過程有很強的靈活性，我們才能這么容易認識并記住新的氣味?！痹撗芯康耐ㄓ嵶髡週omvardas博士說，“理解嗅覺受體神經(jīng)元的多樣性是怎么回事，不僅可以幫助我們理解人類的感官，還會讓我們理解人類行為和整體發(fā)展是如何被塑造的。”

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