昆虫嗅觉气味结合蛋白OBP的研究进展摘要:昆虫嗅觉气味结合蛋白是嗅觉机制中重要的一部分，本文参考近年来国内外对昆虫气味结合蛋白的研究结果，从昆虫气味结合蛋白的生化特性、在触角中的分布、结合特性、蛋白结构、表达时间及代谢、生理功能等几个方面对气味结合蛋白进行了阐述。

关键词：昆虫；气味结合蛋白；三维结构；触角；配体结合嗅觉在昆虫的生存和繁衍中至关重要，昆虫通过分布于触角(少数为下唇须)表层的嗅觉感受器来获取环境中的化学信息，进而调控其觅食、聚集、求偶和寻找产卵场所等重要行为。

昆虫对气味分子的识别，包括气味分子的质（不同分子）、量（不同浓度）以及释放间歇，有赖于昆虫整个嗅觉系统中各级神经元素对气味分子的信息编码，即在各级神经元素中的分子图像。

研究嗅觉机制，就是阐明昆虫对气味分子信息编码的整体过程，亦即气味分子的识别机理，涉及到昆虫嗅觉编码一般过程的内容包括OBP、嗅觉受体与分子识别以及分子图像等（娄永根，程家安，2001）。

一般而言，昆虫对气味物质的识别过程大致包括以下几步(穆兰芳等，2005) (1)外界环境中亲脂性的气味分子通过昆虫触角感器表皮上的微孔进入亲水性的感器淋巴液，与感器淋巴液中的可溶性气味结合蛋白(Odorant binding protein , OBP)结合，形成气味分子-OBP 复合体；(2)复合体穿过亲水性的嗅觉淋巴液，到达神经树突膜上的气味受体；(3)气味受体受到刺激后，膜通透性发生改变，产生动作电位，同时气味分子在OBP 作用下又迅速失，然后在气味降解酯酶和谷胱苷肽转移酶的作用下降解。

一些研究表明，昆虫感受到的气味物质多为脂溶性的小分子化合物。

这些小分子化合物通过触角上皮间的孔道扩散到达触角感受器淋巴液，触角感受器的淋巴液是亲水性的液体，而外界亲脂性气味分子不能通过这些亲水性的液体直接到达嗅觉神经树突末梢，据此推测神经树突周围液体中可能存在一种气味结合蛋白(odorant binding protein，OBP)，溶解并运输脂溶性气味化合物通过亲水性液体。

Vogt和R iddiford (1981 ) 用标记性信息素的方法在多音天蚕蛾(Antheraea polyphemus)雄蛾触角中发现大量16kDa的气味结合蛋白，这些蛋白能特异性的结合雌蛾的性信息素，因此被命名为性信息素结合蛋白昆虫信息素结合蛋白(pheromone binding protein，PBP)，随后在很多种昆虫中都发现了信息素结合蛋白的存在,并迅速成为气味结合蛋白中一个最主要的研究内容。

气味结合蛋白可以被分成三类：性信息素结合蛋白（PBPs），两种普通气味结合蛋白（GOBP1和GOBP2）和触角的结合蛋白（ABPX）。

近年来，OBPs已经在40多个昆虫种类中分离和克隆出，涵盖了8个不同的目（P.Pelosi等，2006）。

嗅觉气味结合蛋白(OBPs)是溶解于嗅觉感受器淋巴液的一类分泌性蛋白,能运输气味分子到达嗅觉神经元表面的嗅觉受体，是昆虫专一性识别外界气味物质的第一步生化反应(Vogt and R iddiford, 1981)，对于昆虫与外界进行信息交流具有重要意义( L i and Prestwich, 1997) 。

深入研究OBPs不仅具有阐明昆虫嗅觉识别的理论意义,而且也有为开发新型有效的生物害虫防治技术提供新思路的实际意义。

1.昆虫气味结合蛋白的一般特点通常OBP的序列中有6个保守的半胱氨酸，在C1-C3, C2-C5, C3-C6之间形成3个二硫键。

至少98 %的昆虫种类的嗅觉感器中都存在OBP，第一个全长OBP 序列从烟草天蛾Manduca sexta 中得到（Gyorgyi T. K., 等）通过直接克隆和基因组分析,在其雄性触角的cDNA 文库中鉴定出了13 个OBPs。

OBPs 序列大部分是高度分化的,但在鳞翅目昆虫中有很大的保守性，如小地老虎Agrotisi.ipsilon 和黄地老虎Agrotis segetum的4 个PBP 基因都有2个内含子,且2 个内含子的插入位置相同,表明2 种昆虫的PBP 基因同源性十分相近（李卫华等，2006）。

而果蝇Drosophila的OBP与鳞翅目的昆虫相比只有不到15%的相似性。

在D. melanogaster中有约39个可以编码含有6个保守半胱氨酸的传统OBP基因，有12个可能添加其他基团的OBP基因，冈比亚按蚊Anopheles gambiae也预测出了72个OBP基因，其中37个为传统OBP（zhou, J.J.等，2004）。

不同昆虫中OBPs 的差异可能也是不同昆虫对环境气味物质识别和结合能力不同的原因之一。

利用X-射线衍射和NMR等技术确定了家蚕B.mori PBP的三维结构（Wojtasek等, 1999b; Sandler等, 2000; Damberger等, 2000; Horst等, 2001; Lee 等, 2002）。

Bmor PBP中α1、α4、α5和α6形成疏水性的结合位点，螺旋α3盖在这个结合囊袋的一端，蚕蛾醇就结合于疏水囊腔内部（Sandler, 2000）。

研究表明，Bmor PBP的构象随pH的改变而变化（图1），pH 为6.5时，Bmor PBP为“紧口”构型，可以结合配基；当pH为4.5时，Bmor PBP构象变为“开口”型。

在没有配基存在时，C端氨基酸形成α-螺旋替代蚕蛾醇的位置，结合到内部的疏水区，而在pH7.0时C端并不形成α螺旋。

虽然其构型转化原理仍不清楚，但这与膜内微环境的pH值远远低于细胞质内的假设相一致（Zhang等，2002；Nikonov等, 2002; Wojtasek 等, 1998, 1999b）。

通过原核表达的C末端部分片段缺失的蛋白在pH7和pH5时与Bombykol 的结合能力与原初蛋白在pH7时有同样的结合能力，表明其可能的作用是阻止蛋白在低pH 值时对气味分子的结合(Leal 等, 2005)。

此外对L.maderae PBP结构的研究也很清楚（Lartigue 等, 2003）。

与鳞翅目OBPs相比Lmad PBP的C端有所变化，比Bmor PBP少19个氨基酸，因此缺第七个α螺旋，所以在结合配基时，没有它的参与；同时L.maderae的性信息素3-hydroxy-bytan-2-one亲水性很强，所以推断信息素分子可以直接到达与膜受体上。

据此推断这可能代表了另一种结合配基的方式。

最近得到的A.polyphemus中PBP/信息素复合物的结构，由9个α螺旋构成，当pH为4.0-7.0时，其构象不随pH的变化而变化（Mohanty, 2004）。

图1 OBP三维结构图（a）PH6.5时，结合特异性性信息素，Bmor PBP为“紧口”构型；（b）pH为4.5时，Bmor PBP构象变为“开口”型。

C端氨基酸形成α-螺旋，形成结合囊袋因为对蛾类性信息素的交流已经建立了较好的模型，许多研究都是以鳞翅目昆虫为材料的(Kaissling，1987)。

迄今为止，对鳞翅目昆虫气味结合蛋白的研究也最多。

PBP主要存在于雄蛾触角中，但Callahan等(2000)研究发现，谷实夜蛾Helicoverpa zea等3种鳞翅目雌蛾触角中的PBP表达量也很高，与雄蛾触角中相当，它们与昆虫感受性信息素有关；GOBP在雌雄蛾触角中表达量相同，在昆虫感受普通气味物质过程中起作用(Vogt等，1991；Wang等，2003)。

GOBP和PBP与不同类型的嗅觉受体神经协同作用，它们的作用方式也可能不一样。

OBP类似蛋白与OBP有明显的同源性(Krieger等，1996)，但其生理功能仍不清楚。

到目前为止，对昆虫OBP的研究以美国加利福尼亚大学、法国的研究小组和德国Kaissling研究小组和研究最为深入，前两者主要利用分子生物学技术分别对烟草天蛾Manduca sexta和甘蓝夜蛾Mamestra brassicae进行了深入的研究(Vogt等，1991，1998; Tunde 等，1988; Maibeche-Coisne, 1997, 1998; Mosbah 等，2003)；而后者则利用各种方法，如电子显微镜、免疫化学、生物化学、电生理和行为观察等对气味结合蛋白的结构和功能进行了全面研究(Steinbrecht等1992，1995；Steinbrecht，1996；Kaissling等，1985；Kaissling，1986，1998)。

近来对传播疟疾的冈比亚按蚊Anopheles. gambiae和阿拉伯按蚊Anopheles. arabiensis研究也较多(Li 等，2005；Zhou 等，2004; 李正西等，2004; Justice 等，2003)。

2 昆虫气味结合蛋白的研究概况第一个被鉴定出的昆虫OBPs是多音大蚕蛾( Antheraea polyphemus)的性外激素结合蛋白被命名为ApolPBP ,分子量为14kDa，特异的存在于雄虫触角中,其浓度大约为10mM。

第一个全长PBP序列是从烟草天蛾(Manduca Sexta)中得到的，以后通过克隆和基因组分析在其雄性触角的cDNA 文库中鉴定出13个OBPs。

第一个功能明确的OBP是黑尾果蝇(D rosophila melanogaster)的OBP76a,不仅起传输气味分子和调节气味分子与神经元的相互作用，还可能直接与受体蛋白作用或者起激活受体蛋白的作用。

随后通过克隆和基因组分析，发现了果蝇有51种OBPs基因，冈比亚按蚊有70多种，鳞翅目昆虫烟草天蛾有19种，在烟芽夜蛾中现已鉴定出9 个气味结合蛋白。

到目前为止，先后在鳞翅目、膜翅目、鞘翅目、双翅目、网翅目、直翅目、等翅目和半翅目的化学感受器内鉴定出很多与气味结合蛋白相关的蛋白(OBP-related Protein)。

在同源蛋白家族数据库Pfam中已经可以检索到75种昆虫400 多种相关蛋白。

通过对氨基酸序列比较，发现鳞翅目昆虫的GOBP和PBP的相似性在25%-30%，GOBP1和GOBP2之间的相似性大约为50%，GOBP1 和GOBP2是高度保守的(每一类群内的相似性在90%以上)，但是PBP则是高度分化的，相似性在20% -95%之间。

图3 昆虫所有OBPs支状图从图3可以看到各种OBP蛋白的亲缘关系（P.Pelosi等，2006），目前所有被预测到的昆虫都被包括在内。

可以看出同一目中的不同种，甚至同一种都在这个树的不同分支上。

图3中很明确的可以看到鳞翅目OBPs可以分成3个基因簇，PBP、GOBP和ABPX，而PBP又分为两个簇。

果蝇的两种OBPs和蟑螂的PBP和鳞翅目PBPs很接近。

膜翅目中水蚁属的18个种的OBPs很相近，而和其他的OBPs在不同的分支上。