Oxygen regulation of breathing through an olfactory receptor activated by lactate

通過乳酸激活的嗅覺受體調節呼吸的氧氣調節

來源：Nature, Volume 527, 12 November 2015

《自然》，第527卷，2015年11月12日

 

摘要

本文研究了動物對氧氣變化的急性反應機制。傳統上，長期缺氧反應由HIF轉錄通路介導，但急性缺氧反應的途徑尚不明確。研究發現，嗅覺受體基因Olfr78在頸動脈體的氧敏感glomus細胞中高表達且選擇性表達。Olfr78突變體在缺氧時無法增加通氣，但對高碳酸反應正常。乳酸在缺氧時迅速積累并能誘導過度通氣，實驗表明乳酸激活Olfr78，引起glomus細胞鈣瞬變和頸動脈竇神經活動。因此，Olfr78通過感知缺氧時產生的乳酸，作為呼吸回路中的缺氧傳感器。

 

研究目的

本研究旨在揭示哺乳動物急性缺氧反應的分子機制，特別是頸動脈體如何感知血氧變化并迅速調節呼吸。研究重點在于確定Olfr78是否參與頸動脈體的氧傳感過程，并探究其配體乳酸在其中的作用。

 

研究思路

研究首先通過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，發現Olfr78在頸動脈體中高表達。隨后使用Olfr78報告基因和knockout小鼠模型，通過免疫染色、行為實驗、電生理記錄和鈣成像等方法，驗證Olfr78在glomus細胞中的表達和功能。研究還通過異源表達實驗測試乳酸對Olfr78的激活作用，并分析缺氧下乳酸水平變化。整體思路是從基因表達篩選到功能驗證，最終提出Olfr78-乳酸傳感模型。

 

測量的數據及研究意義

1. 基因表達數據：RNA測序和微陣列顯示Olfr78在頸動脈體中高度富集（92倍于腎上腺髓質），表明其特異性表達于氧傳感細胞。意義在于識別出新的候選氧傳感器，數據來自圖1a、1b。

 

2. 呼吸響應數據：全身體積描記顯示Olfr78-/-突變體在缺氧（10% O2）時呼吸頻率無顯著變化，而對照增加約30%，但高碳酸反應正常。意義在于證實Olfr76特異性介導缺氧通氣響應，數據來自圖2a、2b。

 

3. 頸動脈體神經活動數據：頸動脈竇神經記錄顯示Olfr78-/-突變體在缺氧（PO2=60-80 mmHg）時神經放電響應減弱，但低pH響應正常。意義表明Olfr78缺陷特異影響氧傳感而非一般興奮性，數據來自圖3h。

 

4. 乳酸激活數據：異源表達實驗顯示乳酸以EC50=4.0 mM激活Olfr78，且缺氧時血乳酸水平升高。鈣成像證實乳酸誘導glomus細胞鈣瞬變。意義在于將乳酸確立為Olfr78的生理配體，連接缺氧與傳感器激活，數據來自圖4a、4b、4c、4d。

 

5. 結構數據：電子顯微鏡顯示Olfr78-/-突變體glomus細胞結構正常，TH陽性細胞數無變化。意義在于排除發育缺陷，確認功能特異性，數據來自圖3a-g。

 

結論

1. Olfr78作為頸動脈體的缺氧傳感器，通過感知乳酸介導急性缺氧通氣響應，而非直接檢測氧分壓。

2. 乳酸是Olfr78的生理配體，缺氧時乳酸積累激活Olfr78，導致glomus細胞鈣內流和神經放電增加。

3. 該機制與HIF通路互補，提供快速代謝傳感方式，解釋為何線粒體抑制劑能模擬缺氧效應。

4. 嗅覺受體可能廣泛參與體內化學傳感，超越嗅覺功能。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

研究中使用了丹麥Unisense公司的Clark型氧電極測量灌注液中的氧氣濃度。該電極用于校準電生理和鈣成像實驗中的缺氧條件，例如在圖3h中記錄缺氧時PO2從625 mmHg降至60 mmHg的過程。Unisense電極的高分辨率（ tip size 100μm, 響應時間<1s）和溫度校準特性，確保了氧氣測量的精確性和可重復性。其研究意義在于：第一，提供了實驗環境中PO2的實時定量數據，使缺氧刺激（如PO2=60-80 mmHg）可標準化，從而準確關聯神經活動變化；第二，通過驗證缺氧條件的穩定性，排除了環境波動對結果的干擾，強化了Olfr78介導響應的可靠性；第三，電極的快速響應能力捕捉了急性缺氧動態，支持了乳酸積累作為快速傳感機制的假設。總之，Unisense電極的數據是連接缺氧刺激與生物學響應的關鍵橋梁，增強了整個研究的生理相關性。