我們能分辨無數(shù)氣味，是因?yàn)槊總€(gè)嗅覺神經(jīng)元只“打開”一個(gè)嗅覺受體基因。這種精準(zhǔn)選擇是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

基于此，2025年12月12日，上海交通大學(xué)李乾教授&斯坦福大學(xué)譚隆志教授&徐州醫(yī)科大學(xué)李安安教授研究團(tuán)隊(duì)在《Nature communications》雜志發(fā)表了“An epigenetic repressor TRIM66 dictates monogenic olfactory receptor expression,neural activity, and olfactory behavior”揭示了表觀遺傳抑制因子TRIM66調(diào)控單基因嗅覺受體的表達(dá)、神經(jīng)活動(dòng)及嗅覺行為。

在此，作者發(fā)現(xiàn)TRIM66是一種關(guān)鍵的抑制因子。在Trim66基因被敲除后，大多數(shù)單個(gè)成熟嗅覺感覺神經(jīng)元（OSN）中仍保留多個(gè)受體基因的低水平表達(dá)，導(dǎo)致絕大多數(shù)嗅覺受體基因的表達(dá)顯著下降。TRIM66能夠結(jié)合、組裝并抑制嗅覺受體增強(qiáng)子，從而沉默多余的嗅覺受體基因。Trim66的缺失會(huì)導(dǎo)致嗅覺信息處理和先天性嗅覺行為出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。作者的研究為理解嗅覺受體表達(dá)從多基因向單基因轉(zhuǎn)變的機(jī)制提供了缺失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖一 受ATF5調(diào)控的Trim66是嗅覺受體基因調(diào)控的一個(gè)有前景的候選因子

ATF5是首個(gè)響應(yīng)嗅覺受體（OR）表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，其在小鼠主嗅上皮（MOE）中的ChIP-seq分析鑒定出1049個(gè)結(jié)合峰，模式與ATF4高度相似且因ATF5在 MOE 中表達(dá)遠(yuǎn)高于 ATF4，可能取代其功能。ATF5靶基因富集于未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）和神經(jīng)元/軸突相關(guān)通路并直接結(jié)合Rtp1/2（對(duì)OR轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要）及多種嗅覺信號(hào)分子基因。

值得注意的是，ATF5 還靶向表觀調(diào)控因子 Trim66（Tif1d），后者可結(jié)合 H3K9me3 參與OR基因沉默；Atf5缺失導(dǎo)致Trim66表達(dá)下降 38%且Trim66在晚期祖細(xì)胞及成熟嗅覺神經(jīng)元中高表達(dá)，與其作為ATF5下游靶點(diǎn)的角色一致。研究還鑒定出兩種新Trim66異構(gòu)體（Trim66A_long 和 Trim66B_short）均在 MOE 中特異表達(dá)。

圖二 Trim66敲除導(dǎo)致成熟嗅覺感覺神經(jīng)元中多個(gè)嗅覺受體以低水平表達(dá)

為了弄清楚 Trim66 是如何在單個(gè)細(xì)胞層面控制OR選擇的，研究人員對(duì) Trim66 基因敲除的小鼠和正常小鼠MOE進(jìn)行了單細(xì)胞測(cè)序，共分析了約 2.7 萬個(gè)高質(zhì)量細(xì)胞，覆蓋了MOE中所有主要細(xì)胞類型。

結(jié)果顯示，雖然缺失Trim66并不影響嗅覺神經(jīng)元的整體發(fā)育過程，也沒有導(dǎo)致細(xì)胞大量死亡，但成熟嗅覺神經(jīng)元的比例減少了，未成熟細(xì)胞的比例相應(yīng)增加。

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最關(guān)鍵的變化出現(xiàn)在 OR 表達(dá)模式上：正常小鼠中，絕大多數(shù)成熟嗅覺神經(jīng)元只表達(dá)一個(gè)嗅覺受體，但在 Trim66 缺失的小鼠中，大多數(shù)成熟神經(jīng)元卻同時(shí)表達(dá)了多個(gè)受體，明顯打破了這一規(guī)則。通過雙色熒光原位雜交實(shí)驗(yàn)，研究者在組織切片中直接觀察到，這些共表達(dá)多個(gè)受體的細(xì)胞集中在成熟神經(jīng)元所在的區(qū)域。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Trim66 缺失讓多個(gè)受體的表達(dá)變得更“平均”，原本最強(qiáng)的那個(gè)受體表達(dá)變?nèi)?，而其他本來沉默或低表達(dá)的受體反而被激活。

圖三 Trim66敲除小鼠的嗅球中嗅覺信息傳遞受損

為探究單受體表達(dá)紊亂是否影響嗅覺功能，作者檢測(cè)了 Trim66 敲除小OB的電生理活動(dòng)和行為。

作者在清醒小鼠中記錄嗅球僧帽/叢狀細(xì)胞（M/Ts）及局部場(chǎng)電位（LFP），發(fā)現(xiàn) Trim66缺失顯著降低自發(fā)LFP活動(dòng)，尤其在與氣味辨別相關(guān)的beta頻段（15-35 Hz）。氣味刺激時(shí)，Trim66 敲除小鼠的beta增強(qiáng)和高gamma（66-95 Hz）抑制反應(yīng)均明顯減弱，提示氣味信息處理受損。

單神經(jīng)元記錄顯示，Trim66敲除使M/Ts自發(fā)放電頻率升高，表明神經(jīng)元興奮性異常。同時(shí)，對(duì)氣味產(chǎn)生興奮或抑制反應(yīng)的 M/Ts 比例減少：興奮性反應(yīng)雖更強(qiáng)，但抑制性反應(yīng)顯著減弱，破壞了嗅球內(nèi)正常的興奮-抑制平衡。

這些結(jié)果說明，Trim66 缺失不僅擾亂OR單一表達(dá)，還導(dǎo)致嗅球神經(jīng)編碼異常，進(jìn)而可能引發(fā)嗅覺功能障礙。

圖四 Trim66敲除小鼠的嗅覺行為受損

因此，作者接下來進(jìn)行了埋藏食物顆粒測(cè)試和嗅覺學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)（Go/No-go任務(wù)）以評(píng)估Trim66敲除對(duì)嗅覺行為的影響。

結(jié)果顯示，與Trim66雜合小鼠相比，Trim66敲除小鼠找到埋藏食物顆粒所需時(shí)間顯著更長(zhǎng)，表明其嗅覺檢測(cè)能力受損。

在Go/No-go任務(wù)中，Trim66敲除小鼠的嗅覺識(shí)別能力明顯下降，對(duì)陽性氣味（S+）和陰性氣味（S?）的辨別能力均顯著弱于雜合小鼠。這些行為結(jié)果與電生理數(shù)據(jù)一致，表明Trim66缺失不僅影響神經(jīng)活動(dòng)，也損害嗅覺功能。

由于Trim66在嗅球中也有表達(dá)，還在條件性敲除小鼠（Goofy-cre; Trim66 flox）中進(jìn)行了行為測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些條件性敲除小鼠同樣表現(xiàn)出氣味檢測(cè)能力下降以及Go/No-go任務(wù)表現(xiàn)受損，與全身性Trim66敲除小鼠的行為缺陷相似。綜上所述，Trim66通過調(diào)控單嗅覺受體基因的表達(dá)，在精確的嗅覺信息處理及嗅覺相關(guān)行為中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

總結(jié)

本研究闡明了表觀遺傳調(diào)控因子 TRIM66 在嗅覺系統(tǒng)中的核心作用：它不僅確保每個(gè)成熟嗅覺神經(jīng)元嚴(yán)格表達(dá)單一嗅覺受體，還維持嗅球神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正常電活動(dòng)與興奮-抑制平衡，從而保障精確的氣味識(shí)別與行為反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了從基因選擇到神經(jīng)環(huán)路功能再到感知行為的完整調(diào)控鏈條，為理解感覺系統(tǒng)中單基因選擇的表觀遺傳機(jī)制提供了關(guān)鍵范例，并可能為相關(guān)神經(jīng)發(fā)育或感知障礙疾病提供新思路。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66051-w

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