雖然嗅覺在人類的社交互動中發揮著重要作用——例如，發出恐懼信號或產生親密感——但對于螞蟻來說，它至關重要。紐約大學和佛羅里達大學的研究人員發現，一種名為 Orco 的關鍵蛋白質對嗅覺細胞的功能至關重要，對螞蟻細胞的生存也至關重要。

他們的研究表明，突變Harpegnathos saltator跳蟻的orco基因會顯著減少嗅覺神經元的數量，這表明 Orco 是這些細胞發育和生命所必需的。該研究結果發表在《科學進展》上，為動物社交的細胞和分子基礎提供了見解。

“了解神經系統如何發育是現代神經科學面臨的最緊迫的挑戰之一，”紐約大學生物系博士后研究員、該研究的第一作者 Bogdan Sieriebriennikov 說。

嗅覺和變異螞蟻

由于使用信息素進行交流，螞蟻已經進化出大約 400 種嗅覺感受器——這個數量比大多數其他昆蟲更接近人類。

“螞蟻和人類一樣，具有高度的社會性，表現出合作的社會行為，因此為研究感官介導的社會行為提供了一個理想的系統，”佛羅里達大學生物學助理教授、該研究的資深作者華巖解釋說。“擴展的嗅覺受體基因使螞蟻能夠在擁有數百、數千甚至上百萬個個體的大型社會中相互‘交談’。”

即使對于依靠其他感官進行交流的人類來說，嗅覺也是至關重要的。

嚴補充道：“嗅覺受體神經元功能喪失會導致嗅覺缺陷，并常常與社會孤立、精神分裂癥等神經系統疾病以及自閉癥等社交障礙有關。”

為了更好地了解螞蟻的嗅覺如何影響它們的社交互動，紐約大學的研究人員之前利用 CRISPR 編輯了orco基因，創造了第一批轉基因螞蟻。這些“突變”螞蟻缺乏 Orco 蛋白，它們的嗅覺器官發生了變化，難以互動。

“我們發現，觸角——螞蟻的‘鼻子’——的細胞非常少。它們幾乎是空的，這表明突變螞蟻體內缺乏感知嗅覺的細胞，”顏教授說道。

神經元存活依賴于 Orco

在《科學進展》雜志上發表的新研究中，研究人員利用螞蟻觸角的單核基因表達譜和熒光顯微鏡分析嗅覺細胞的發育。結果表明，缺乏 Orco 的突變昆蟲在成年之前會失去大部分嗅覺神經元。

“這些細胞似乎正常生成，并開始發育——生長、改變形狀，并啟動它們以后需要的某些基因，例如嗅覺受體，”Sieriebriennikov 指出。“一旦發育中的細胞啟動嗅覺受體，它們很快就會開始大量死亡。”

這種神經元死亡可能是壓力造成的。由于突變螞蟻的嗅覺受體無法與 Orco 形成復合物并到達細胞膜，新產生的受體會堵塞細胞器，導致壓力和死亡。

這種神經元死亡也可能表現出群居昆蟲特有的模式。“到目前為止，這些獨特的過程還沒有在獨居昆蟲身上發現過，這可能為神經發育進化以適應嗅覺受體基因的擴展提供了重要證據，”佛羅里達大學博士生、這項研究的共同第一作者凱莉·西伯爾說。

有趣的是，一些嗅覺受體即使沒有 Orco 也能存活下來。它們所在的細胞也表達了其他類型的受體，這表明它們促進的活動對于神經元發育至關重要。

“一些神經元必須定期‘激發’才能正常發育。如果沒有 Orco，嗅覺細胞就無法‘激發’并完成發育，從而導致其死亡，”Sieriebriennikov 說道。