黑腹果蝇嗅觉受体神经元的系统形态学和形态计量学分析

文献：Systematic morphological and morphometric analysis ofidentified olfactory receptor neurons in Drosophila melanogaster

摘要：感觉神经元的生物物理特性受其形态特征和形态特征的影响，其精确测量需要高质量的体积电子显微镜(EM)。然而，对已识别神经元的纳米尺度特征的系统调查很少。在这里，我们描述了果蝇嗅觉受体神经元(olfactory receptor neurons，ORN)在大多数基因鉴定的感觉毛的形态。通过分析冷冻触角组织的连续块面电子显微镜图像，我们基于122个重建的3D模型，对40种已确定的触角ORN类型中的33种进行了广泛的形态测量数据集。此外，我们还观察到许多新的特征，包括感觉器腔内的细胞外液泡，复杂的树突分支，线粒体在特定的感觉器中富集，新的感觉器类型，以及不含神经元的空感觉器，这些都提出了与细胞生物学和感觉神经生物学相关的新问题。我们的系统调查对未来研究感觉神经元的大小和形状如何影响它们的反应、灵敏度和回路功能至关重要。

      大多数昆虫物种，包括农业害虫和病媒，都依靠嗅觉来指导觅食、觅食、交配、产卵和攻击等关键行为。气味检测开始于嗅觉器官，触角和上颌触须，上面覆盖着感觉毛或感觉器，这些感觉毛包裹着嗅觉受体神经元(ORN)的树突。在黑腹果蝇中，嗅觉感受器可分为基本型、腔型、中间型和毛状四种形态，它们的长度、大小、形状和表皮孔排列是区分嗅觉感受器的标准。值得注意的是，在不同的感觉纲中安置的ORN具有不同的树突分支模式和气味调节特性。基本神经元和中间神经元的外树突显示多个分支，而圆锥神经元和毛状神经元的外树突通常是无分支的。虽然碱性神经元对各种气味有反应，但毛状神经元主要对信息素有反应，大多数腔肠神经元选择性地对胺和羧酸有反应。感觉器官类别、树突分支模式和气味调节特性之间的联系表明，感觉器官和嗅觉器官的形态特征可能影响嗅觉功能。然而，测试这种可能性需要在纳米尺度上对神经元的这些形态特征进行系统的调查，这些神经元的受体已经被确定，它们的气味反应谱已经被表征。

大多数触角感受器有多个ORN。每个神经元被赋予一个名称，表明宿主感觉器及其在分组神经元中的相对细胞外spike振幅。通常情况下，在一个感觉器中，两个到四个神经元以刻板的组合方式被分隔开来——即表达特定受体的神经元总是与表达另一个特定受体的相邻神经元配对。例如，Or59b受体在位于2型天线基感器的ab2A神经元中表达，而“A”表示其峰值幅度大于邻近的ab2B神经元，而ab2B神经元总是表达Or85a受体。有趣的是，删除或替换调谐受体的ORN并不会改变其特征尖峰幅度，这表明尖峰振幅是一个与受体身份无关的特征。基因决定的神经元配对暗示了这种排列的功能意义。

事实上，位于同一感觉器中的ORN可以通过直接的电相互作用相互抑制，称为触觉耦合，这也可以调节果蝇对气味混合物的反应行为。引人注目的是，在大多数感觉体类型中，侧抑制在区隔化的神经元之间是不对称的:大刺突神经元不仅能够施加更大的感知影响，而且也不容易受到小刺突相邻神经元的感知抑制。从机制上讲，这种功能上的差异是由分组神经元之间的大小差异引起的。大尖峰ORN的胞体比小尖峰ORN的胞体大;这一特征被转化为“a”神经元的较小输入电阻，从而解释了其在触觉相互作用中的主导地位(Zhang等人，2019)。这些发现表明，在一个ORN的形态特征和它的电路功能之间的因果关系。综上所述，这些观察结果强调了对基因鉴定的ORN进行系统形态计量学调查的必要性和价值。

开创性的高压冷冻和冷冻替代(即冷冻固定)触角组织的透射电子显微镜(TEM)研究提供了果蝇触角组织的高质量形态图谱。然而对于形态计量学分析，该图谱的实用性是有限的，因为ORN的三维结构和分子身份是不明确的。利用我们之前开发的CryoChem方法，可以对冷冻和遗传标记的体积EM样品进行高质量的超微结构保存，我们获得了触角组织的连续块面扫描电子显微镜(SBEM)图像，其中选择的RNA表达膜系EM标记(APEX2-mCD8GFP或APEX2-ORCO)。在之前的研究中，我们重点分析了五种感觉类型中标记的ORN及其共区隔的神经元伙伴的体细胞。然而，除了apex2标记的毛发外，每个SBEM数据集还包含许多其他感受器，这些感受器的身份可以通过交叉参考感受器形态及其区隔的ORN数量来确定。例如，在三种大型的基本感受器类型中，ab1可以在没有基因标记的情况下被识别，因为该感受器包含四个神经元，而ab2和ab3都包含两个神经元。此外，在已知的感觉器官中，可以根据体细胞大小来区分“a”或“B”ORN。也就是说，分组神经元之间的峰值振幅比反映了它们的体细胞大小差异。因此，对于我们的SBEM数据集中许多未标记的神经元，可以确定orn的细胞身份(详见表1 -源数据1)。

在这里，我们进行了系统的形态学和形态计量学分析鉴定果蝇的触角。通过分割SBEM图像，我们重建了19种基因定义的触角感觉体类型中的13种神经元的3D结构，从总共158个重建的三维感觉器模型中，涵盖了所有四个形态学类别:基本(ab1-5)，腔腔(ac1-4)，中间(ai2和ai3)和毛状感觉器(at1和at4)。此外，基于122个重建的3D ORN模型，我们对40种确定的触角ORN类型中的33种进行了形态测量分析，以及4种新的神经元类型。我们的高分辨率调查揭示了多个新特征，包括感觉器腔内的细胞外液泡，线粒体富集的内部树突增大，没有ORN的空感觉器，以及两种迄今为止尚未表征的基本感觉器类型。我们还表明，外部树突分支模式比以前所认识的要复杂得多。这里提供的信息定义了关于感觉神经元的大小和形状如何影响它们的反应、敏感性和电路功能的新问题，并为未来研究不同ORN形态的分子和细胞机制奠定了基础。

表1 黑腹果蝇嗅感器的形态计量学研究。