Oxygen control of breathing by an olfactory receptor activated by lactate

乳酸激活的嗅覺受體對呼吸的氧氣控制

來源：Nature, Volume 527, Issue 7577, November 12, 2015, pages 240-244

《自然》雜志，第527卷，第7577期，2015年11月12日，頁碼240-244

 

摘要：

這篇論文摘要討論了動物對氧氣可用性變化的穩態反應，長期反應由缺氧誘導因子（HIF）轉錄通路控制，但哺乳動物急性缺氧反應的分子通路不明確。研究發現嗅覺受體Olfr78在頸動脈體的氧敏感glomus細胞中高表達和選擇性表達。Olfr78突變體在缺氧時不能增加通氣，但對高碳酸血癥反應正常。乳酸在缺氧時快速積累，并在異源表達實驗中激活Olfr78，誘導glomus細胞鈣瞬變，并通過Olfr78刺激頸動脈竇神經活動。提出Olfr78作為呼吸電路中的缺氧傳感器，通過感知氧水平下降時產生的乳酸來調控呼吸。

 

研究目的：

研究目的是揭示急性缺氧反應的分子機制，特別是確定頸動脈體氧傳感的分子通路。研究旨在驗證Olfr78在缺氧傳感中的作用，探討乳酸作為內源性配體如何介導這一過程，并為理解缺氧相關的生理響應提供新見解。

 

研究思路：

研究思路基于比較基因表達分析，使用RNA測序和全基因組微陣列比較頸動脈體和腎上腺髓質的基因表達，識別出高表達的Olfr78。通過Olfr78報告基因小鼠確定其在glomus細胞的表達定位。利用Olfr78 knockout突變體小鼠，進行全身體積描記法測量呼吸參數、頸動脈竇神經電生理記錄、鈣成像實驗以及乳酸濃度測量，驗證Olfr78在缺氧響應中的功能。整體思路從基因表達篩選到功能驗證，結合分子生物學、生理學和電生理學方法。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了基因表達譜，通過RNA測序和微陣列顯示Olfr78在頸動脈體高表達且相對于腎上腺髓質富集，數據來自圖1a、b和擴展數據圖2。研究意義在于識別出Olfr78作為候選氧傳感器，其高表達提示其在急性傳感中的潛在角色，為后續功能研究提供基礎。

 

 

2 測量了Olfr78的表達定位，使用報告基因和免疫染色顯示Olfr78特異性表達于頸動脈體glomus細胞，數據來自圖1c-h和擴展數據圖3。研究意義在于確認傳感器在關鍵氧敏感細胞中的位置，排除其他組織表達，強化其在呼吸電路中的特異性。

 

 

3 測量了呼吸響應，通過全身體積描記法顯示Olfr78突變體在缺氧時呼吸率不增加，但對高碳酸血癥響應正常，數據來自圖2a-d和擴展數據圖4。研究意義在于證明Olfr78對缺氧響應的必要性，且缺陷具有特異性，支持其在頸動脈體功能中的核心作用。

 

 

 

4 測量了頸動脈竇神經活動，電生理記錄顯示突變體在缺氧時神經放電減少，但對低pH響應 intact，數據來自圖3h、i和擴展數據圖6。研究意義在于直接證實Olfr78缺失損害頸動脈體氧傳感功能，而酸傳感通路獨立，突出了Olfr78在信號轉導中的關鍵性。

 

 

 

 

5 測量了乳酸激活Olfr78，在HEK293T細胞中乳酸劑量依賴性地激活Olfr78，EC50為4.0 mM，數據來自圖4a和擴展數據圖7。研究意義在于鑒定乳酸為生理相關配體，其濃度范圍與缺氧時積累一致，為代謝物傳感機制提供證據。

 

 

 

 

6 測量了乳酸濃度變化，在體實驗顯示缺氧時動脈血乳酸快速升高，數據來自圖4b和擴展數據圖7h。研究意義在于將乳酸動態與缺氧響應關聯，支持乳酸作為缺氧信號分子的角色。

7 測量了glomus細胞鈣響應，鈣成像顯示乳酸誘導鈣瞬變，類似缺氧和氰化物效應，數據來自圖4c、d和擴展數據圖8。研究意義在于證實乳酸直接激活glomus細胞，闡明下游信號事件，完善從傳感到生理輸出的通路。

 

 

 

結論

1 Olfr78在頸動脈體glomus細胞特異性表達，是急性缺氧傳感所必需的，突變體導致缺氧時通氣增加缺陷。

2 乳酸作為內源性配體激活Olfr78，在缺氧時積累，介導glomus細胞激活和呼吸刺激。

3 Olfr78通路通過感知代謝物乳酸實現缺氧傳感，與HIF通路互補，提供了一種整合氧可用性和需求的快速響應機制。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的數據主要涉及細胞周圍氧濃度的量化，例如在方法部分描述的"Measurement of pericellular oxygen concentration and calculation of oxygen consumption"中使用Unisense OX500微電極。這些測量用于驗證缺氧條件，如通過氧剖面分析顯示缺氧時氧濃度從正常水平下降至低于0.1%，數據參考擴展數據圖5和相關文本。研究意義在于直接、高分辨率地量化微環境氧動態，證實缺氧誘導的生理變化：氧濃度下降觸發乳酸積累，從而激活Olfr78通路。這種測量將宏觀缺氧刺激與分子傳感器響應直接鏈接，強化了乳酸作為缺氧代謝標志物的角色，并支持了線粒體假說，即氧傳感通過代謝變化間接實現。此外，Unisense數據有助于排除其他因素干擾，確保實驗條件的可控性，為Olfr78機制提供可靠的環境背景。