动物对特定刺激所表现出来的各种先天性行为都源于程序性发育形成的某些神经环路的激活。许多动物都把二氧化碳（CO2）作为一种重要的环境信号，产生与自我生存和繁殖相关的各种先天性行为。在神经环路水平上，通过对低等动物果蝇、线虫、蚊子等的研究表明，对二氧化碳的检测通常都是由一类特殊的感觉神经元来完成。
2009年1月30日，北京生命科学研究所罗敏敏博士实验室在PNAS在线发表了有关小鼠嗅觉系统检测二氧化碳的分子机制研究的论文。
小鼠作为一种经典模式实验动物，因其发达的嗅觉，被神经生物学家广泛用于哺乳动物嗅觉系统的研究。在以前的研究中罗敏敏实验室首先发现并证明了二氧化碳可以通过项链嗅觉系统被小鼠灵敏地检测到，并且这样灵敏的二氧化碳检测能力需要碳酸酐酶II的活性及环鸟苷酸敏感的离子通道的开放。在本研究中，他们运用分子生物学、生物化学、小鼠遗传操作、电生理、钙成像等多种实验手段，证明了检测二氧化碳的神经细胞中一种D型鸟苷酸环化酶(GC-D)能够直接被二氧化碳的代谢物——碳酸氢根所激活。通过对体外表达GC-D的深入研究，首次发现碳酸氢根对它的激活完全不同于其同家族的其他膜蛋白的受调控方式。以A型鸟苷酸环化酶(GC-A)为例，其鸟苷酸环化酶的活性是基于这一膜蛋白的胞外结构域与特定肽类小分子配体的结合而引发的一系列结构变化最终被激发。然而GC-D的鸟苷酸环化酶的活性却是通过碳酸氢根直接作用于胞内的酶活结构域而引发的。至此，这一研究对于哺乳动物对CO2检测的分子机制提供了重要线索，也为我们对定位于细胞膜的鸟苷酸环化酶的分子调节机制有了更广泛而多样的认识。
论文的第一作者孙丽明是我所和北京师范大学联合培养的博士生。论文的其他作者还有本所的王华翌（博士后），胡霁（博士后），韩金龙（博士生），及杜克大学的Hiroaki Matsunami博士。罗敏敏博士为本文通讯作者。此项研究由科技部863计划，北京市科委，中国自然科学基金及人类前沿科学计划（HFSP）资助，在北京生命科学研究所完成。（生物谷Bioon.com）
生物谷推荐原始出处：
PNAS Published online before print January 30, 2009, doi: 10.1073/pnas.0812220106
Guanylyl cyclase-D in the olfactory CO2 neurons is activated by bicarbonate
Liming Suna,b, Huayi Wanga, Ji Hua, Jinlong Hana,b, Hiroaki Matsunamic and Minmin Luoa,1
Atmospheric CO2 is an important environmental cue that regulates several types of animal behavior. In mice, CO2 responses of the olfactory sensory neurons (OSNs) require the activity of carbonic anhydrase to catalyze the conversion of CO2 to bicarbonate and the opening of cGMP-sensitive ion channels. However, it remains unknown how the enhancement of bicarbonate levels results in cGMP production. Here, we show that bicarbonate activates cGMP-producing ability of guanylyl cyclase-D (GC-D), a membrane GC exclusively expressed in the CO2-responsive OSNs, by directly acting on the intracellular cyclase domain of GC-D. Also, the molecular mechanism for GC-D activation is distinct from the commonly believed model of “release from repression” for other membrane GCs. Our results contribute to our understanding of the molecular mechanisms of CO2sensing and suggest diverse mechanisms of molecular activation among membrane GCs.
