人民網深圳10月16日電 （記者趙永新）你可能已經知道，討厭的蚊子之所以能從十幾米外找到你，靠的是“嗅覺導航”。的確，蚊子尋找宿主是一場精密復雜的化學追蹤，主要依靠三大類受體：味覺受體（GRs）、氣味受體（ORs）和離子型受體（IRs）。這三大類受體分工協作，使包括蚊子在內的昆虫能識別二氧化碳、糖類與苦味物質、揮發性氣味如羧酸和胺類等多種線索，並驅動宿主搜尋等關鍵行為。

蚊虫三大受體分工協作意圖。深圳醫學科學院供圖

此前研究已知，蚊子的三大嗅覺系統中，離子型受體在檢測羧酸、胺類、濕度和溫度等線索中不可或缺。其中，IR8a是許多IR的“共受體”，它本身不識別氣味，但必須與一個“調諧受體”（如IR75k）配對，才能形成有功能的蛋白質復合體。而IR8a-IR75k復合物，正是蚊虫感知中鏈羧酸的核心裝置。但是，相關問題一直是未解之謎：這個復合物長什麼樣？它如何區分不同長度的羧酸？氣味結合后，信號又是如何傳遞到通道並打開離子通道的？

好消息來了：北京時間10月15日，《自然》雜志在線發表了我國科學家的一項重要突破：研究團隊以瘧疾媒介斯氏按蚊為研究對象，解析離子型受體（IRs）中的IR8a–IR75k復合物在多個功能狀態下的高分辨率結構，並首次從原子尺度系統揭示了昆虫IR復合物如何識別宿主皮膚上的羧酸類氣味分子，揭示了如何將這一化學信號轉化為神經電信號的完整機制。

相關論文發表截圖。深圳醫學科學院供圖

業內同行認為，該成果不僅補齊了“嗅覺導航”機制研究中的關鍵拼圖，也為蚊媒傳染病的精准防控提供了潛在的新靶點。

找到“嗅覺導航”的關鍵拼圖

該成果由深圳醫學科學院生物構造與互作研究所潘孝敬團隊聯合深圳灣實驗室柳峰、黃愷團隊完成，潘孝敬、柳峰、黃愷為論文共同通訊作者，徐莉、王鑫、全學波為共同第一作者。

潘孝敬研究員工作照。深圳醫學科學院供圖

據潘孝敬研究員介紹，在昆虫的三大化學感受受體中，IR是結構機制研究長期缺失的一塊關鍵拼圖。特別是在蚊虫中，IR參與識別人類皮膚揮發物中的羧酸及胺類等物質，並影響宿主偏好。因此，解析IR的工作機制，既是昆虫感覺生物學中的基礎科學問題，也與蚊媒傳染病防控密切相關。

本研究首次獲得昆虫IR/IR共受體（IRco）復合物的全長高分辨率結構，並進一步捕獲其配體誘導的開放狀態，從而將氣味識別、構象變化、通道開啟、信號傳遞多個環節連接成完整的分子過程，為昆虫三大化學感受受體體系補上了長期缺失的關鍵機制拼圖。

首次看清昆虫IR復合物的全長組裝方式

研究團隊利用冷凍電鏡技術，成功解析了IR8a-IR75k復合物在多種狀態下的高分辨率結構：無配體的全長關閉態、壬酸結合的全長開放態，以及壬酸和辛酸分別結合的胞外域結構。結構顯示，IR8a-IR75k是一個異源四聚體：兩個IR8a構成類似“Y”形的核心支架，兩個IR75k分列兩側且彼此不直接接觸，提示其可以相對獨立地完成配體識別。

研究發現，這一組裝方式與經典脊椎動物離子型谷氨酸受體明顯不同，也與此前解析的昆虫OR、GR體系展現出不同的結構組織原則。酸類分子未結合狀態下，復合物跨膜區中央孔道處於收窄狀態，為理解IR受體激活前的形態提供了直接結構基准。

IR8a–IR75k全長異源四聚體結構及關閉態離子通道。該結構揭示了昆虫IR/IRco復合物獨特的組裝方式。深圳醫學科學院供圖

高分辨結構解析壬酸比辛酸更“誘蚊”的精准分子機制

在蚊虫的“嗅覺導航”中，壬酸、辛酸等羧酸類物質是人體汗液和皮脂中的重要成分，也是蚊子判斷“附近是否有人”的關鍵線索。

為理解IR如何辨別宿主相關氣味的分子機制，研究團隊比較了IR8a-IR75k與壬酸和辛酸結合時的高分辨率結構。兩種分子都是中鏈羧酸，結構高度相似，僅相差一個亞甲基，但對受體的激活效力明顯不同。

結構分析顯示，真正承擔配體特異性識別的是IR75k。其配體結合口袋位於雙葉狀配體結合結構域之間。壬酸的羧酸頭部通過氫鍵網絡被精准固定，烷基鏈則被多個芳香族和疏水殘基包圍﹔辛酸由於碳鏈更短，在口袋中採取更彎曲的結合姿態，氫鍵和疏水作用隨之減弱。也就是說，IR75k不僅識別“羧酸”這一化學類別，還會同時“讀取”烷基鏈長度和羧基的空間幾何，即使看起來極其相近的氣味分子也能夠進行區分。

IR75k識別NA和OA的分子基礎。配體碳鏈長度與羧基幾何共同決定其在結合口袋中的作用方式。深圳醫學科學院供圖

探明從“聞到氣味”到“打開通道”的結構變化

識別氣味只是第一步。要形成神經信號，受體還必須把胞外的化學事件轉化為跨膜離子流。團隊經過長達一年的研究，進一步解析了3.33Å分辨率的壬酸結合的開放態結構，並與無配體關閉態進行比較，從而直接看清了IR8a-IR75k由“聞到氣味”到“打開通道”的結構變化。

結構比較顯示，NA結合伴隨配體結合結構域重排和孔道擴張。深圳醫學科學院供圖

研究表明，壬酸進入IR75k結合口袋后，雙葉狀配體結合結構域發生閉合，其中C葉以近似剛體方式旋轉。這個動作通過A344、K460、C603等保守機械連接位點繼續向跨膜區（離子通道結構域）傳遞。

尤其值得注意的是，K460與跨膜區之間的短連接結構隻有四個氨基酸，卻像一根剛性的“分子杠杆”：配體結合引發的上部結構運動經由這段連接結構被放大並傳遞，牽拉跨膜螺旋向外移和轉動，最終使中央孔道擴張並進入開放狀態。

為驗証這一“分子杠杆”模型，研究人員在關鍵連接位置插入柔性的GSGS序列，相當於給剛性傳動結構加上一個“減震器”，結果配體結合與通道開啟之間的信號耦聯幾乎被切斷。全原子分子動力學模擬進一步顯示，在相同條件下，壬酸結合開放態能夠允許鈉離子快速通過，而無配體關閉態則沒有觀察到相應的陽離子通透過程。結構、功能和計算結果由此共同建立了“配體進入口袋—結合結構域閉合—機械連接傳力—跨膜螺旋外移—孔道開放”的連續機制。

IR8a–IR75k的配體門控機制。IR75k配體結合結構域的閉合通過短機械連接區傳遞至跨膜螺旋，最終驅動離子通道開放。深圳醫學科學院供圖

建立完整結構機制，為精准防蚊提供潛在靶點

潘孝敬認為，這項工作的核心意義首先在於基礎科學層面。過去，昆虫OR和GR已經有代表性的結構與機制研究，而IR復合物的全長結構及配體門控過程始終缺少關鍵証據。本研究首次建立昆虫IR復合物從配體識別到通道開啟的完整結構機制，使人們能夠在同一原子尺度框架下理解昆虫三大化學感受受體體系的異同。

這一發現也為理解蚊虫如何利用宿主氣味找到人提供了新的分子解釋。蚊虫的宿主尋找行為與瘧疾等蚊媒傳染病傳播密切相關。研究揭示的IR75k配體結合口袋、關鍵識別殘基和機械連接位點，為后續開展基於結構的驅避劑、引誘劑或受體調控分子設計提供了潛在靶點。

潘孝敬認為，未來若能針對這些關鍵結構精准干預蚊虫嗅覺信號，有望開發出更加綠色、精准的蚊媒防控新策略。