圖片來源：Pixabay

人類想騙過蚊子的嗅覺，沒那么簡單。

撰文 | 栗子

審校 | 二七

波士頓大學的生物學家梅格 · 楊格（Meg Younger），在實驗室養了許多蚊子。

它們生活在一個大大的培養箱里，環境溫度保持在 25 ℃ -28 ℃，溫暖如春。整個空間就像一座" 蚊子旅社 "，被分隔成了許多房間：每間的面積約為 1 平方英尺（不到 1000 平方厘米），有 100 多只蚊子同住。

當楊格博士朝著其中一個房間吹口氣，里面的住客就興奮起來。原本在休息的蚊子開始狂野地飛舞，過程要持續幾分鐘。這樣的景象在楊格博士眼中毫不陌生，畢竟人類呼出的二氧化碳和自帶的體味，對蚊子來說本就意味著食物的所在。

蚊子依靠人類的血液生存和繁衍，循著嗅覺線索找到我們也是它們與生俱來的能力。科學家一直想方設法破壞這種能力，讓蚊子不再被人類的氣味吸引，但就算去掉一整個基因家族編碼的嗅覺受體，它們仍然能憑借某些線索找到人類。

如今，楊格博士和小伙伴們終于發現，蚊子的嗅覺系統和從前想象的不一樣。它們在歷史長河中，演化出了一套精密的" 防故障系統 "，切斷一條路還有別的路。想要阻止蚊子找到我們，一點也不容易。

它沒遵守一對一的 " 規矩 "

蚊子的嗅覺神經元（olfactory sensory neuron）大多在觸角上，也有一部分在下顎須（maxillary palp）。

這些神經元中會有各種各樣的受體，用來探測外界的化學線索。而那些受體又可分為三大類：氣味受體（odorant receptor，OR）、離子型受體 / 離子通道型受體（ionotropic receptors，IR）以及味覺受體（gustatory receptor，GR）。雖然，GR 主要負責味覺感知，但二氧化碳這個對蚊子而言十分關鍵的尋人線索，也要靠 GR 來檢測。

當特定的氣味襲來時，相應的神經元會變得興奮，并把消息傳遞至嗅小球（olfactory glomeruli）。科學家曾經在脊椎動物當中發現，嗅覺系統十分 " 專業化 "。通常，每個嗅覺神經元只表達一種受體，只與一組化學物質結合，檢測一種特定的氣味。而表達相同受體的那些神經元，又會把信號傳遞給同一個嗅小球——這樣一來，一種動物感知化學線索的受體有多少種，體內嗅小球的數量大致也會有多少個。

傳統的嗅覺系統中，一個嗅覺神經元（如圖中灰色圓形）通常表達一種受體（如圖中紅色、藍色或紫色方塊），檢測一種氣味，并投射到相應的嗅小球（如圖中紅色、藍色或紫色圓形）（圖片來源：原論文）

后來又有研究者發現，不光是脊椎動物，許多昆蟲同樣滿足這條規律。比如，西方蜜蜂（Apis mellifera）體內的氣味受體（OR）和離子型受體（IR）加起來大約180種，嗅小球則有160個左右；在煙草天蛾（Manduca sexta）身上，這兩大類受體共有60種左右，對應著約70個嗅小球；而黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）有約60種相關受體，對應約55個嗅小球。

那么，蚊子體內的嗅覺受體種類，也會和嗅小球的數量相近嗎？楊格博士和小伙伴們發現，在埃及伊蚊（Aedes aegypti）的身體里，化學感受受體的種類，是嗅小球數量的兩倍以上。數字明顯不匹配，這讓科學家感覺到蚊子的嗅覺系統與眾不同，人類氣味難以騙過蚊子的原因可能也藏在其中。

化學感受受體的種類，遠多于嗅小球的個數，要么是一個嗅覺神經元表達了多種受體，要么是幾組表達不同受體的神經元，都匯聚到了同一個嗅小球上。為了確認哪一種才是真實情況，研究者設計了下一步實驗。

有人篡改代碼也不怕

氣味受體（OR）、離子型受體（IR）以及味覺受體（GR），這三類化學感受受體是由三個不同的基因家族編碼而來。

首先，研究團隊需要觀察的是，表達這幾類受體的神經元，分別投射到了哪些嗅小球上。科學家從 OR、IR 和 GR 基因家族中，找出一些編碼受體的基因：Orco、Ir25a、Ir8a、Ir76b 以及 Gr3。

研究者利用基因編輯，給這些受體基因添加了 " 尾巴 "，追蹤神經元的去向。這尾巴是轉錄因子 QF2 對應的基因，替換了受體基因的終止密碼子，于是細胞在制造那些嗅覺受體的同時，也會把轉錄因子 QF2 生產出來。而 QF2 這種蛋白質，能與 DNA 上一處名叫 QUAS 的增強子（也經過基因編輯）結合，引發附近一種熒光蛋白的表達，讓人看清哪個神經元伸向了哪個嗅小球。

結果，科學家驚訝地發現，表達Ir25a基因的神經元投射到了蚊子觸角葉中的幾乎所有嗅小球，并且與表達Orco基因的神經元投射高度重合。另外，觸角葉中最大的嗅小球——嗅小球 1，既收到了表達Gr3基因的神經元投射，也被表達Ir25a基因的神經元所支配。就是說，表達氣味受體（OR）、離子型受體（IR）和味覺受體（OR）的神經元投射之間有所重疊。

研究者十分好奇，這些重疊是怎么來的。Ir25a基因編碼的離子型受體，與Orco基因編碼的氣味受體，究竟是在相同的神經元里表達了，還是兩組表達不同受體的神經元匯集到相同的嗅小球了？

特別的嗅覺系統有兩種可能性。1 為一個神經元表達不止一種受體，2 為表達不同受體的幾組神經元投射到相同的嗅小球（圖片來源：原論文）

想回答這個問題，依然要把 QF2 轉錄因子的基因插到受體基因末尾，來觀察神經元中有沒有Orco基因和Ir25a基因共表達的現象。這次，研究者把 QF2 轉錄因子分成兩半，一半是 DNA 結合域，追蹤 Orco 基因表達，另一半是激活域，追蹤 Ir25a 表達，兩部分都用亮氨酸拉鏈標記。假如這兩個基因共表達，拉鏈拉好，QF2 的兩個部分組合成有功能的 QF2 分子，才能驅動熒光蛋白的表達。

用這種方式編輯了蚊子的基因后，科學家真的在它們的觸角葉中看到熒光，那里有將近一半的嗅小球被 dTomato 熒光蛋白 " 染綠 " 了。這表明，Orco基因（屬于 OR 受體基因家族）和 Ir25a 基因（屬于 IR 基因家族）存在共表達，而且是廣泛存在。我們認知當中 " 一個神經元表達一種受體 " 的傳統嗅覺系統，大概不適用于蚊子。

QF2 分子的其中一半存在時，無綠色熒光呈現；而 Ir25a 與 Orco 共同表達時，獲得完整 QF2，驅動熒光蛋白的表達，可以觀察到綠色（圖片來源：原論文）

不同類的嗅覺受體能在一個神經元里共表達，也就不難解釋，為何去除一個基因家族編碼的一大類嗅覺受體，仍然無法阻擋蚊子找到人類。嗅覺系統的 " 冗余 " 設定，可能給了它們應對危機的備用方案。

后來，研究團隊又在蚊子嗅覺系統中，找到了更多類似的例子。除了觸角之外，蚊子還有一種更小也更簡單的嗅覺器官，就是下顎須。它可以檢測一些重要的尋人線索，比如二氧化碳，以及存在于人類呼吸和汗液中的1- 辛烯 -3- 醇（又叫蘑菇醇）等等。

科學家發現，蚊子下顎須中能夠被1- 辛烯 -3- 醇激活的神經元，也能被我們皮膚中釋放的揮發性胺類物質激活。這意味著，即便經過基因編輯的蚊子失去了一種嗅覺受體，依靠這種受體工作的神經元也未必會因此喪失功能，它們還可以利用別的受體，檢測到人類的氣息。

楊格博士對蚊子特別的嗅覺系統感到驚奇，她和小伙伴們把研究成果發表在了《細胞》雜志。但即便如此，科學家們也沒有放棄阻擋蚊子對人類的探測。楊格博士說，未來的驅蚊方式，必須考慮到人類對蚊子的吸引力堅不可摧。或許，這項研究可以為研究者提供新的依據，有助于設計出對蚊子更有誘惑力的混合氣味陷阱。

這才叫魯棒。