Nature+Current Biology |?螞蟻如何確保嗅覺神經元只表達單一受體

撰文|一只魚

為確保感知的特異性，感覺神經元必須從龐大的基因家族中選擇并表達單一受體，遵循"一個神經元只表達一種受體"的原則。例如，哺乳動物的每個嗅覺感覺神經元僅表達一個 氣味受體 （ Or ） 基因。在擁有約60個氣味受體基因的果蠅中，這種選擇是確定性機制調控的；而小鼠則需從逾千個選項中完成選擇，它們通過復雜的隨機選擇系統解決這一難題。 螞蟻同樣擁有大量氣味受體基因， 且 大多 是 串聯陣列形式 ，與哺乳動物的基因排列類似，但其調控機制卻 仍不清楚 。

近日，來自 美國紐約大學的Claude Desplan， 佛羅里達大學Hua Yan和邁阿密大學Danny Reinberg團隊 在 Nature 上 發表題為 Transcriptional interferences ensure one olfactory receptor per ant neuron 的 文章， 發現 在跳鐮猛蟻 （ Harpegnathos saltator ） 的嗅覺感覺神經元中，每個神經元會激活氣味受體基因陣列中的單個啟動子，產生成熟的加帽多聚腺苷酸化mRNA。雖然陣列中下游基因的啟動子處于失活狀態，但由于活性啟動子引發的轉錄通讀現象，所有下游基因仍會被轉錄。這種通讀轉錄通過轉錄干擾抑制下游啟動子功能，產生異常的無帽轉錄本而無法翻譯，從而確保只有活性基因能正常表達。與此同時，從 該 啟動子起始的長鏈反義轉錄本會覆蓋上游基因，可能通過類似機制使其沉默 。

為探究螞蟻觸角中Or基因的表達模式， 研究人員首先 進行了多模態單核RNA測序與單核ATAC測序聯合分析 ，發現表達同一基因組陣列Or基因的神經元聚集形成獨立簇群，提示它們具有共享基因表達特征，以及Or基因具有獨特的表達規律：位于陣列3'端的基因表達范圍 更 廣泛，而僅 少數 細胞群體在表達最5'端基因的同時共表達3'端基因 。 為展示單細胞層面的表達情況， 他 們繪制了熱圖：X軸按基因組陣列分組排列Or基因，Y軸按神經元最上游表達基因進行排序 ，發現 呈現出清晰的"階梯式"模式 ， 任一基因的表達均伴隨其下游所有基因的共轉錄 。他們還 注意到熱圖中表達量隨距首表達基因距離增加而遞減 ，并 通過量化分析 驗證 基因表達水平隨其與首轉錄基因距離的增加而逐級遞減 。他 們利用多組學數據分析 ， 根據首表達基因對神經元分組，評估陣列內各啟動子的染色質可及性 ， 發現 首轉錄基因的啟動子是整個陣列中唯一具有ATAC-seq峰值的可及性啟動子 ，說明 轉錄從單個啟動子起始，隨后通過通讀機制轉錄下游基因 。

接下來他們 進行批量長讀長RNA測序，發現絕大多數Or基因轉錄本均被處理成獨立的polyA化mRNA ，說明 Or基因轉錄本具有功能性polyA加尾信號并能正常加工為獨立mRNA 。 當RNA聚合酶II轉錄通過polyA加尾位點后，mRNA發生切割并加尾，而聚合酶仍繼續轉錄polyA位點3'下游序列。此時核酸外切酶Xrn2被招募至失控轉錄本的5'端，快速降解新生RNA鏈，其降解速度超越移動較慢的RNA聚合酶II并最終使其從DNA模板解離。若Or基因表達細胞中外切酶活性降低，將導致RNA聚合酶II持續轉錄下游基因，從而產生通讀現象。單核長讀長RNA測序 分析發現 映射至首表達基因的讀段起始位置精確累積在轉錄起始位點，而映射至下游Or基因的讀段不僅未在其TSS處富集，反而呈現隨機分布的起始位點 ， 結合下游啟動子區域染色質不可及性，表明 轉錄僅起始于每個細胞中的首表達基因 ， 下游基因轉錄本的5'端并非成熟mRNA，而是移動緩慢的外切酶對新生轉錄本進行不完全消化的產物，這使得更快速的RNA聚合酶II得以持續轉錄下游基因 。

除正義鏈轉錄外， 他 們 還 發現 每個Or啟動子還能驅動反義鏈轉錄 ， 在特定Or基因啟動轉錄的細胞中，該基因上游存在廣泛的反義轉錄，形成正義鏈與反義鏈轉錄本相互排斥的覆蓋模式 。并且 Or基因陣列所有啟動子均存在反義鏈上的雙向讀段定位，表明每個啟動子包含正義鏈與反義鏈上的成對核心元件 。

除了這項研究，幾乎同一時間，來自 美國洛克菲勒大學的 Daniel J.C. Kronauer 研究團隊 在 Current Biology 上也 發表 了 題為 Transcriptional interference gates monogenic odorant receptor expression in ants 的 文章， 發現 在雙刺猛蟻（ Ooceraea biroi ）中， 向 Or 下游方向的通讀轉錄會產生非翻譯轉錄本 ，且 O r 啟動子具有雙向性，能夠產生反義長鏈非編碼RNA。通讀轉錄與反義轉錄均不產生功能性RNA，但雙向轉錄本身對抑制串聯陣列中其他所有O r 基因的表達具有關鍵作用 ，且這種依賴雙向轉錄干擾確保單基因受體表達的機制在螞蟻和其他社會學昆蟲中保守 。

總的來說，這 兩 項研究都揭示了螞蟻嗅覺神經元特異性受體的選擇性表達機制，它們獨立演化出了一套基于轉錄干擾的獨特機制來實現單一氣味受體的表達。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09664-x

https://doi.org/10.1016/j.cub.2025.09.026

制版人： 十一

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