1月22日，上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉志杰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華甜、趙素文和水雯箐團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）上在線(xiàn)發(fā)表了題為“Structural decoding of reversible covalent linkage of odorants in human olfactory receptor OR6A2”的最新研究成果。研究巧妙使用“共識(shí)序列+反向突變”的迂回策略，成功解析了人類(lèi)嗅覺(jué)受體OR6A2與多種天然醛類(lèi)氣味分子復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，首次發(fā)現(xiàn)氣味分子通過(guò)席夫堿（Schiff base linkage）與嗅覺(jué)受體形成可逆共價(jià)鍵，揭示了一種全新的嗅覺(jué)識(shí)別機(jī)制。

嗅覺(jué)是生命體感知外界化學(xué)環(huán)境最古老且精細(xì)的感官功能之一，在覓食、避險(xiǎn)、社會(huì)交流和行為調(diào)控中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，其分子基礎(chǔ)是嗅覺(jué)受體（olfactory receptors，ORs）。人類(lèi)基因組中約有400種功能性嗅覺(jué)受體，是數(shù)量最多的一類(lèi)G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），通過(guò)“一個(gè)神經(jīng)元表達(dá)一種受體”及組合編碼機(jī)制識(shí)別成千上萬(wàn)種結(jié)構(gòu)各異的氣味分子，賦予嗅覺(jué)系統(tǒng)極高的靈敏度與分辨力。近年研究發(fā)現(xiàn)，嗅覺(jué)受體并非僅限于嗅上皮，還廣泛表達(dá)于免疫細(xì)胞、皮膚、心血管及代謝相關(guān)組織，參與炎癥反應(yīng)、能量代謝等重要生理病理過(guò)程。這些發(fā)現(xiàn)推動(dòng)嗅覺(jué)受體從傳統(tǒng)的“感官分子”拓展為連接環(huán)境感知、機(jī)體穩(wěn)態(tài)與疾病干預(yù)的關(guān)鍵信號(hào)分子，展現(xiàn)出重要的藥物開(kāi)發(fā)潛力。

盡管嗅覺(jué)受體具有重要的生物學(xué)與醫(yī)學(xué)意義，其三維結(jié)構(gòu)解析長(zhǎng)期受限于異源表達(dá)效率低、構(gòu)象不穩(wěn)定等問(wèn)題，被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的“硬骨頭”。科學(xué)家們采用“共識(shí)序列（consensus sequence）”策略，成功解析了多個(gè)工程化嗅覺(jué)受體（consOR）的結(jié)構(gòu)，揭示了嗅覺(jué)受體的整體折疊方式和共性結(jié)構(gòu)特征。但共識(shí)序列在一定程度上削弱了單個(gè)受體的天然序列特征，難以闡明特定嗅覺(jué)受體在配體選擇性中的“個(gè)性化”分子機(jī)制。

OR6A2是II類(lèi)嗅覺(jué)受體的代表成員，能夠特異性識(shí)別中等鏈長(zhǎng)脂肪醛類(lèi)化合物，如辛醛、壬醛等，與部分人群對(duì)香菜產(chǎn)生“肥皂味”感知的遺傳差異密切相關(guān)。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)OR6A2在巨噬細(xì)胞等非嗅覺(jué)組織中也有表達(dá)，并參與調(diào)控炎癥反應(yīng)，與動(dòng)脈粥樣硬化等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。因此，闡明 OR6A2 的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其特異性激活機(jī)制，對(duì)于理解嗅覺(jué)感知及開(kāi)發(fā)炎癥相關(guān)疾病干預(yù)策略具有雙重意義。

為突破OR6A2結(jié)構(gòu)解析的長(zhǎng)期技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“共識(shí)序列+反向突變”的迂回策略。他們首先解析了OR6亞家族共識(shí)序列consOR6結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分析其配體結(jié)合口袋。通過(guò)理性設(shè)計(jì)，將8個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)反向突變?yōu)镺R6A2的天然序列，成功構(gòu)建出兼具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與野生型配體識(shí)別能力的 OR6A2 變體（bmOR6A2）?；谠摬呗裕芯繄F(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了bmOR6A2分別與三種天然醛類(lèi)配體（辛醛、壬醛、反-2-癸烯醛）以及嗅覺(jué)特異性G蛋白G_olf形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，最高分辨率達(dá)到2.5?，實(shí)現(xiàn)了對(duì)嗅覺(jué)受體-配體-G 蛋白相互作用的原子級(jí)刻畫(huà)（圖2）。

圖2: “共識(shí)序列+反向突變”策略解析consOR6和bmOR6A2的三維結(jié)構(gòu)。

本研究的核心發(fā)現(xiàn)是：醛類(lèi)配體的醛基可與受體結(jié)合口袋中的賴(lài)氨酸殘基K157^4.60形成可逆的共價(jià)鍵—席夫堿（Schiff base），并得到質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。這種識(shí)別方式此前僅在視覺(jué)系統(tǒng)中被報(bào)道，即視紫紅質(zhì)受體（rhodopsin）與視黃醛之間的共價(jià)結(jié)合，而在其它GPCR家族中尚屬首次發(fā)現(xiàn)，揭示了一種全新的氣味分子識(shí)別機(jī)制。通過(guò)結(jié)構(gòu)比較、分子動(dòng)力學(xué)模擬及功能實(shí)驗(yàn)，研究進(jìn)一步鑒定出一個(gè)在II 類(lèi)嗅覺(jué)受體中高度保守、對(duì)激活至關(guān)重要的“D/E^45.51–Y^6.55–Y^7.41” 相互作用三聯(lián)體。氣味分子結(jié)合后，通過(guò)穩(wěn)定該三聯(lián)體氫鍵網(wǎng)絡(luò)，直接驅(qū)動(dòng) TM6 發(fā)生構(gòu)象變化，從而促進(jìn) G 蛋白結(jié)合并觸發(fā)下游信號(hào)通路。

由此表明，與許多經(jīng)典非嗅覺(jué)GPCR 相比，嗅覺(jué)受體可能采用了一種更為簡(jiǎn)潔而高效的激活機(jī)制，這或許是其能夠在極短時(shí)間內(nèi)靈敏響應(yīng)復(fù)雜氣味信號(hào)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。研究還進(jìn)一步揭示了不同鏈長(zhǎng)、不同構(gòu)象的醛類(lèi)分子激活OR6A2效力差異的分子基礎(chǔ)，為后續(xù)的基于結(jié)構(gòu)的理性分子設(shè)計(jì)提供了明確方向。

本工作是劉志杰/華甜團(tuán)隊(duì)繼 2022 年發(fā)表首個(gè)人類(lèi)苦味受體 TAS2R46（Science）、2024–2025 年解析 TAS2R14（Nature）及TAS2R16（Cell Reports）、2024 年報(bào)道 pH 感知受體 GPR4 與 GPR65（Cell Research），以及2025 年發(fā)表人類(lèi)甜味受體 TAS1R2–TAS1R3（Nature） 之后，深耕化學(xué)感知受體分子機(jī)制領(lǐng)域取得的又一重要突破，在基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)識(shí)、疾病機(jī)制解析及應(yīng)用轉(zhuǎn)化等多個(gè)層面具有重要意義。

在基礎(chǔ)研究方面，本工作首次在原子水平揭示了嗅覺(jué)受體通過(guò)可逆共價(jià)鍵識(shí)別氣味分子的機(jī)制，為理解復(fù)雜嗅覺(jué)感知體系提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)依據(jù)。在疾病研究層面，OR6A2 在巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞中的表達(dá)及其在炎癥調(diào)控中的作用，使其成為潛在的疾病干預(yù)靶點(diǎn)，高分辨率受體結(jié)構(gòu)為靶向動(dòng)脈粥樣硬化等炎癥相關(guān)疾病的藥物研發(fā)提供了重要理論基礎(chǔ)。在方法學(xué)層面，本研究提出的“共識(shí)序列優(yōu)化結(jié)合反向突變”策略，為破解難表達(dá)、構(gòu)象不穩(wěn)定的嗅覺(jué)受體及其他感知類(lèi) GPCR 的結(jié)構(gòu)解析難題提供了可推廣的技術(shù)范式。此外，對(duì)嗅覺(jué)受體配體識(shí)別與激活機(jī)制的深入理解，也為基于結(jié)構(gòu)理性設(shè)計(jì)新型香料和風(fēng)味分子提供了理論支撐，具有潛在的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。

上?？萍即髮W(xué)iHuman 研究所博士后汪天與副研究員吳屹然為論文共同第一作者；iHuman研究所研究員、生命學(xué)院教授劉志杰，iHuman研究所研究員、生命學(xué)院副教授華甜和趙素文為共同通訊作者。該研究的質(zhì)譜分析工作得到iHuman研究所水雯箐團(tuán)隊(duì)的大力支持。上科大生命學(xué)院本科生高申遠(yuǎn)也參與了此項(xiàng)工作。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位，該研究得到iHuman研究所平臺(tái)及上科大生物電鏡平臺(tái)的有力支撐。

論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01430-8