生物物理所揭示果蠅感知重金屬離子的“超級”能力

　　人類活動帶來的重金屬污染已成為全球性難題，引發生態與健康危機。20世紀30年代以來，屢次爆發重大重金屬污染事件，對人類健康和農產品質量安全帶來了挑戰。重金屬污染具有長期性、累積性、潛伏性和不可逆性等特點，危害大且治理成本高昂。污染物在土壤和水源中富集，并通過進食及飲水等途徑進入人體。過量攝入的重金屬在心臟、腎臟、神經系統等重要器官沉積，引發如心血管疾病、神經系統疾病、免疫系統疾病及癌癥等。那么，人類是否具備感知并回避重金屬離子的能力？有關人類G蛋白偶聯受體TAS2R7的體外研究表明，該受體可能介導感知多種重金屬離子，但其體內功能尚需進一步研究證實。放眼自然界，重金屬污染在某種程度上也是一種自然現象。對于動物而言，若能進化出擁有自主性的環境與健康風險評估能力，從而主動回避天然存在的重金屬污染區域，將對其生存以及物種延續帶來顯著優勢。然而，我們對于生物通過感知覺系統檢測并主動回避重金屬元素污染介質的能力及其相關調控機制的了解依然有限。

　　4月6日，中國科學院生物物理研究所朱巖研究組在iScience上，在線發表了題為Taste coding of heavy metal ion-induced avoidance in Drosophila的研究論文。該研究揭示現代模式動物果蠅對重金屬離子具有高度敏感的感知能力。研究發現，兩條依賴于離子型受體（Ionotropic receptors，IRs）的平行通路在味覺系統中負責果蠅對重金屬離子的感知，從而促使果蠅回避被重金屬污染的食物及環境。

　　科研人員系統檢測了黑腹果蠅及對多種金屬離子的選擇偏好，發現了果蠅能夠以高靈敏度感知并回避含有有毒重金屬離子的介質。相關種屬的蠅類也有類似的能力。特別地，果蠅對二價鎘離子（Cd2+）的敏感性甚至與最苦的苦味劑（苯甲地那銨）的敏感性相當。在重金屬污染環境中生活的果蠅壽命會變短；而失去味覺感知后果蠅在該環境中死亡加速。上述研究顯示，依賴味覺系統，動物體能夠對食物質量進行評估并決定是否攝入。進一步，研究表明，果蠅口器上味覺系統中的苦味感知神經元能夠檢測食物中的重金屬離子，但苦味受體并不參與這一感知過程。在苦味感知神經元中，離子型受體IR76b、IR25a和IR7a賦予了典型的苦味感知神經元感知重金屬離子的新能力。研究人員還確定了另一簇獨立于苦味感知、原本介導回避高濃度鈉鹽的味覺感知神經元（Ir47a+ 神經元）。分析表明，所有的Ir47a+ 神經元都能夠響應于Cd2+的刺激。在這簇Ir47a+ 神經元中，離子型受體IR76b、IR25a和IR47a參與調控果蠅對重金屬離子感知以及進食回避的行為。這種兩類神經元同時感知相同物質的調控機制，凸顯了重金屬離子感知對果蠅生存的重要性。該研究為探索生物如何通過感知覺系統檢測并回避重金屬污染提供了寶貴的信息，并對解析其他生物在面對重金屬污染時的適應策略具有重要的參考價值。

　　未來，上述成果有望推動生物學、生態學、環境科學和公共衛生等領域的發展，并有助于科學家更好地評估并控制重金屬污染對生物及生態系統的影響，為環境毒理學研究、生物傳感器開發、土壤或水質重金屬污染的生物測定提供新思路。該方向的研究還有望為制定針對重金屬污染的治理策略提供依據，從而保護生物多樣性和人類健康。

　　研究工作得到國家自然科學基金、北京市、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院交叉學科創新團隊、比爾及梅琳達蓋茨基金等的支持。