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昼夜节律下哺乳动物嗅觉受体基因的适应性进化探秘

一、引言

1.1研究背景与意义

嗅觉在哺乳动物的生存与繁衍进程中扮演着举足轻重的角色，是其与外界环境互动的关键感觉之一。从进化的长河来看，嗅觉是动物最为古老的基本感觉，可追溯至远古时期。对于哺乳动物而言，嗅觉系统主要由嗅觉受体（OlfactoryReceptor,OR）基因家族及其编码的蛋白质构成，嗅觉受体基因家族是已知最大且最多样化的基因家族之一，在哺乳动物中包含数百个成员。这些基因主要位于基因组的不同染色体上，显示出高度分化和扩张的特征。在漫长的进化过程中，嗅觉受体基因家族经历了多次基因复制和功能分化，以适应不断变化的环境。

凭借敏锐的嗅觉，哺乳动物能够精准探测食物的方位，从而满足自身的能量需求。以狼为例，在广袤的草原上，狼可以依靠其灵敏的嗅觉，在数公里外就感知到猎物的气味，进而追踪并捕获猎物，确保生存。同时，嗅觉还帮助哺乳动物有效躲避天敌，保障自身安全。比如野兔，一旦嗅到狐狸等天敌留下的气味，便会迅速警觉并逃离，避免成为天敌的口中之食。在社交方面，嗅觉也发挥着重要作用，许多哺乳动物通过释放和感知信息素，来识别同类、标记领地以及进行繁殖交流等行为。例如，狗通过尿液中的信息素标记领地，向其他同类传达领地归属信息；而在繁殖季节，雌性哺乳动物会释放特殊的信息素，吸引雄性前来交配，完成种族的繁衍。

昼夜节律作为生命活动中的一种内在计时机制，如同生物钟一般，广泛存在于地球上的生物体中，对维持生理稳态和人体健康起着关键作用。其调控机制主要以转录-翻译负反馈环路（transcription–translationfeedbackloop，TTFL）的形式发挥功能。从微观层面来看，生物钟基因在细胞内的表达呈现出周期性变化，这些基因编码的蛋白质相互作用，形成复杂的调控网络，从而调节细胞的生理活动。而在宏观层面，生物钟不仅控制着哺乳动物的睡眠-觉醒周期，还对激素分泌、体温变化以及代谢速率等生理过程产生深远影响。近年来，越来越多的研究表明，昼夜节律的紊乱与多种衰老相关疾病的发生和发展密切相关，如睡眠障碍、肥胖、免疫力下降等问题，甚至会增加癌症及精神疾病的风险，对人类健康构成严重威胁。

在自然环境中，昼夜交替是一种稳定且周期性的变化，这使得许多生物的生理和行为表现出相应的昼夜节律性。哺乳动物的嗅觉功能也不例外，受到昼夜节律的显著影响。一些研究发现，某些嗅觉受体基因的表达在白天和夜晚存在明显差异。这种差异表达可能与哺乳动物在不同时段的生存需求紧密相关。比如，夜行性动物在夜间活动频繁，其嗅觉系统在夜间可能更为敏锐，以适应黑暗环境下的觅食、求偶和躲避天敌等行为；而日行性动物则在白天依赖嗅觉进行各种活动，其嗅觉受体基因的表达模式也会相应调整。这种昼夜节律对嗅觉受体基因表达的影响，反映了哺乳动物在进化过程中为适应环境变化而发展出的适应性策略。

深入研究昼夜节律影响下哺乳动物嗅觉受体基因的适应性进化，具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论方面，这一研究有助于我们更加深入地理解哺乳动物的生物学机制，揭示生物钟与个体行为之间的紧密联系，进一步丰富和完善进化生物学的理论体系。从实际应用角度来看，该研究成果可能为相关领域提供新的思路和方法。在农业领域，有助于优化畜牧养殖管理，根据动物的嗅觉节律合理安排饲养和繁殖活动，提高养殖效益；在医学领域，对于理解某些嗅觉相关疾病的发病机制以及开发针对性的治疗方法具有潜在的指导作用；在生物多样性保护方面，能为保护濒危动物提供科学依据，更好地维护生态平衡。

1.2国内外研究现状

在哺乳动物嗅觉受体基因的研究领域，国内外学者取得了丰硕成果。国外研究起步较早，对嗅觉受体基因的结构、功能及进化开展了深入探索。早在20世纪90年代，Axel和Buck就因发现嗅觉受体基因家族而荣获2004年诺贝尔生理学或医学奖，为后续研究奠定了坚实基础。此后，大量研究聚焦于嗅觉受体基因的多样性和特异性。例如，研究发现不同物种的嗅觉受体基因数量存在显著差异，小鼠拥有约1000个嗅觉受体基因，而人类仅有约400个，这种差异与物种的生存环境和生活习性紧密相关。同时，对于嗅觉受体基因识别气味分子的机制也有深入研究，揭示了嗅觉受体通过“组合编码”的方式识别气味分子，使得动物能够辨别数以万亿计的气味。

国内相关研究近年来也取得了长足进步。山东大学孙金鹏教授团队和上海交通大学医学院李乾研究员团队合作，在2023年揭示了II类嗅觉受体mTAAR9识别4种内源性胺类配体并与下游Gas及Gaolf蛋白偶联的分子机制和结构基础，系统地阐释了嗅觉感知的分子机制，为靶向嗅觉受体的药物开发提供了重要理论依据。

在昼夜节律的研究方面，国外同样处于前沿地位。众