Nat Commun：為什么你聞到的氣味那么準？李乾/譚隆志/李安安團隊揭示TRIM66調(diào)控單基因嗅覺受體表達機制

我們能分辨無數(shù)氣味，是因為每個嗅覺神經(jīng)元只“打開”一個嗅覺受體基因。這種精準選擇是怎么實現(xiàn)的呢？

基于此，2025年12月12日，上海交通大學李乾教授&斯坦福大學譚隆志教授&徐州醫(yī)科大學李安安教授研究團隊在《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、神經(jīng)活動及嗅覺行為。

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)單個成熟嗅覺感覺神經(jīng)元（OSN）中仍保留多個受體基因的低水平表達，導致絕大多數(shù)嗅覺受體基因的表達顯著下降。TRIM66能夠結(jié)合、組裝并抑制嗅覺受體增強子，從而沉默多余的嗅覺受體基因。Trim66的缺失會導致嗅覺信息處理和先天性嗅覺行為出現(xiàn)嚴重缺陷。作者的研究為理解嗅覺受體表達從多基因向單基因轉(zhuǎn)變的機制提供了缺失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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

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

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缺失導致Trim66表達下降 38%且Trim66在晚期祖細胞及成熟嗅覺神經(jīng)元中高表達，與其作為ATF5下游靶點的角色一致。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。

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

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

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，也沒有導致細胞大量死亡，但成熟嗅覺神經(jīng)元的比例減少了，未成熟細胞的比例相應增加。

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最關(guān)鍵的變化出現(xiàn)在 OR 表達模式上：正常小鼠中，絕大多數(shù)成熟嗅覺神經(jīng)元只表達一個嗅覺受體，但在 Trim66 缺失的小鼠中，大多數(shù)成熟神經(jīng)元卻同時表達了多個受體，明顯打破了這一規(guī)則。通過雙色熒光原位雜交實驗，研究者在組織切片中直接觀察到，這些共表達多個受體的細胞集中在成熟神經(jīng)元所在的區(qū)域。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，Trim66 缺失讓多個受體的表達變得更“平均”，原本最強的那個受體表達變?nèi)酰渌緛沓聊虻捅磉_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

為探究單受體表達紊亂是否影響嗅覺功能，作者檢測了 Trim66 敲除小OB的電生理活動和行為。

作者在清醒小鼠中記錄嗅球僧帽/叢狀細胞（M/Ts）及局部場電位（LFP），發(fā)現(xiàn) Trim66缺失顯著降低自發(fā)LFP活動，尤其在與氣味辨別相關(guān)的beta頻段（15-35 Hz）。氣味刺激時，Trim66 敲除小鼠的beta增強和高gamma（66-95 Hz）抑制反應均明顯減弱，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，對氣味產(chǎn)生興奮或抑制反應的 M/Ts 比例減少：興奮性反應雖更強，但抑制性反應顯著減弱，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，還導致嗅球神經(jīng)編碼異常，進而可能引發(fā)嗅覺功能障礙。

圖四 Trim66敲除小鼠的嗅覺行為受損

因此，作者接下來進行了埋藏食物顆粒測試和嗅覺學習實驗（Go/No-go任務）以評估Trim66敲除對嗅覺行為的影響。

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間顯著更長，表明其嗅覺檢測能力受損。

在Go/No-go任務中，Trim66敲除小鼠的嗅覺識別能力明顯下降，對陽性氣味（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，也損害嗅覺功能。

由于Trim66在嗅球中也有表達，還在條件性敲除小鼠（Goofy-cre; Trim66 flox）中進行了行為測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些條件性敲除小鼠同樣表現(xiàn)出氣味檢測能力下降以及Go/No-go任務表現(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，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：它不僅確保每個成熟嗅覺神經(jīng)元嚴格表達單一嗅覺受體，還維持嗅球神經(jīng)網(wǎng)絡的正常電活動與興奮-抑制平衡，從而保障精確的氣味識別與行為反應。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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