氧气是一切需氧生物生存的基本条件，因此生物体必然存在感受氧气的信号识别系统，细胞和机体对氧气浓度的识别也必然是生命的最基本功能，也就是说细胞必然存在氧气的感受器，不过生物学家对氧气感受的认识是最近10年才逐渐清楚。

对氧气的感受存在两套系统，一是细胞层面上的感受，主要是通过基因表达调节，让细胞和整个机体提高耐受低氧的能力，例如增加低氧代谢的能力和增加红细胞数量提高机体运输氧气的能力，另外身体还有一套快速响应机制，通过神经系统调整呼吸运动，提高通过呼吸摄取氧气的能力。

上世纪90年代，William G. Kaelin Jr. 和Gregg L. Semenza革命性地发现让人们理解了细胞在分子水平上感受氧气的基本原理，他们主要是通过对低氧诱导因子水平调节机制的深入研究。在低氧条件下，许多细胞内低氧诱导因子水平增加，低氧诱导因子是低氧相关基因的转录因子，能促进各种应对低氧的基因表达，在肿瘤发生、血管增殖、无氧代谢等细胞基本代谢调节中的核心事件。低氧诱导因子在细胞内被泛素化后经过蛋白酶水解，低氧诱导因子泛素化的条件是需要脯氨酸羟化，脯氨酸羟化需要脯氨酸羟化酶，羟化本质上是氧化，脯氨酸羟化酶需要氧气作为底物，缺乏氧气脯氨酸羟化酶就无法发挥作用，导致低氧诱导因子泛素化水解的失效，结果是这种蛋白在细胞内积聚。这些研究证明，脯氨酸羟化酶就是细胞内氧气的感受器。William G. Kaelin Jr. 和Gregg L. Semenza关于低氧诱导因子的研究属于细胞层面的低氧感受和基因表达适应模式的研究。

虽然生理学领域很早就了解身体内存在快速氧气感受系统的基本工作原理，主要是通过颈动脉体和大脑内的化学感受器实现的，不过对这一系统中的启动部位，氧气感受的分子和受体并不十分清楚。最新2015年11月12日《自然》杂志报道，在颈动脉体氧气感受细胞中存在一种嗅觉受体Olfr78，这种受体能感受细胞低氧代谢导致的乳酸，从而激活低氧感受神经，颈动脉体化学感受器发放的神经冲动沿窦神经传导至延髓的呼吸中枢和心血管中枢，反射性地调节呼吸系统和心血管系统的活动。这一系统的工作原理可以看该论文的第一张精彩的模式图。

关于嗅觉受体Olfr78的研究不多，曾有人发现这种受体在肾脏中表达，参与血压的调控。也有人发现这种受体存在于肾脏和许多器官动脉血管内，能感受来自肠道细菌代谢产生的短链脂肪酸，参与血压的调节。

该研究发现，嗅觉受体Olfr78在氧气敏感颈动脉体化学感受器主细胞特异性高表达，Olfr78基因突变动物，主细胞结构和数量正常，但对低氧产生的呼吸促进调节功能丧失，但对高二氧化碳调节反应正常。乳酸是低氧条件下机体代谢产生的代谢物，主细胞在低氧条件下能通过代谢调整促进乳酸产生，刺激Olfr78受体，导致细胞内游离钙离子一过性增加，刺激窦神经放电。研究结果提示，嗅觉受体Olfr78是颈动脉体主细胞感受低氧的细胞感受器，其感受化学信号是低氧诱导的细胞代谢产物乳酸。

http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7577/full/nature15721.html

为什么复杂动物会选择嗅觉受体作为感受氧气的受体，为什么会选择感受有机酸的嗅觉受体作为感受氧气的受体。其他细胞感受氧气的方式不需要那么快速，但需要持续的调整，所以选择了酶活性调节，阻断蛋白水解过程，促进基因表达的方式。快速感受系统选择代谢模式响应机制，但代谢响应机制仍然有一定延迟，毕竟需要乳酸的堆积。不过机体耐受低氧的能力也并非分秒必争的。选择这种有一定延迟的快速，而不是感受氧气分子的超快速模式仍然是可以理解的。总之，生物系统一直告诉我们，生物往往选择最合理的配置。

 

相关专题：2019年诺贝尔奖
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自孙学军科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-41174-934786.html

上一篇：JAMA：运动饮料诱发心脏病
下一篇：阻断一个基因表达可让动物长出新耳朵