Olfactory receptors (ORs) detect volatile chemicals that lead to the initial perception of smell in the brain. The olfactory receptor (OR) is the first protein that recognizes odorants in the olfactory signal pathway and it is present in over 1,000 genes in mice. It is also the largest member of the G protein-coupled receptors (GPCRs). Most ORs are extensively expressed in the nasal olfactory epithelium where they perform the appropriate physiological functions that fit their location. However, recent whole-genome sequencing shows that ORs have been found outside of the olfactory system, suggesting that ORs may play an important role in the ectopic expression of non-chemosensory tissues. The ectopic expressions of ORs and their physiological functions have attracted more attention recently since MOR23 and testicular hOR17-4 have been found to be involved in skeletal muscle development, regeneration, and human sperm chemotaxis, respectively. When identifying additional expression profiles and functions of ORs in non-olfactory tissues, there are limitations posed by the small number of antibodies available for similar OR genes. This review presents the results of a research series that identifies ectopic expressions and functions of ORs in non-chemosensory tissues to provide insight into future research directions.
Generally, odorant molecules are detected by olfactory receptors, which are specialized chemoreceptors expressed in olfactory neurons. Besides odorant molecules, certain volatile molecules can be inhaled through the respiratory tract, often leading to pathophysiological changes in the body. These inhaled molecules mediate cellular signaling through the activation of the Ca2+-permeable transient receptor potential (TRP) channels in peripheral tissues. This review provides a comprehensive overview of TRP channels that are involved in the detection and response to volatile molecules, including hazardous substances, anesthetics, plant-derived compounds, and pheromones. The review aims to shed light on the biological mechanisms underlying the sensing of inhaled volatile molecules. Therefore, this review will contribute to a better understanding of the roles of TRP channels in the response to inhaled molecules, providing insights into their implications for human health and disease.
Ryu, Sang Eun;Shim, Tammy;Yi, Ju-Yeon;Kim, So Yeun;Park, Sun Hwa;Kim, Sung Won;Ronnett, Gabriele V.;Moon, Cheil
Molecules and Cells
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제40권12호
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pp.954-965
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2017
Mammalian genomes are well established, and highly conserved regions within odorant receptors that are unique from other G-protein coupled receptors have been identified. Numerous functional studies have focused on specific conserved amino acids motifs; however, not all conserved motifs have been sufficiently characterized. Here, we identified a highly conserved 18 amino acid sequence motif within transmembrane domain seven (CAS-TM7) which was identified by aligning odorant receptor sequences. Next, we investigated the expression pattern and distribution of this conserved amino acid motif among a broad range of odorant receptors. To examine the localization of odorant receptor proteins, we used a sequence-specific peptide antibody against CAS-TM7 which is specific to odorant receptors across species. The specificity of this peptide antibody in recognizing odorant receptors has been confirmed in a heterologous in vitro system and a rat-based in vivo system. The CAS-TM7 odorant receptors localized with distinct patterns at each region of the olfactory epithelium; septum, endoturbinate and ectoturbinate. To our great interests, we found that the CAS-TM7 odorant receptors are primarily localized to the dorsal region of the olfactory bulb, coinciding with olfactory epithelium-based patterns. Also, these odorant receptors were ectopically expressed in the various non-olfactory tissues in an evolutionary constrained manner between human and rats. This study has characterized the expression patterns of odorant receptors containing particular amino acid motif in transmembrane domain 7, and which led to an intriguing possibility that the conserved motif of odorant receptors can play critical roles in other physiological functions as well as olfaction.
G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest superfamily of transmembrane receptors and have vital signaling functions in various organs. Because of their critical roles in physiology and pathology, GPCRs are the most commonly used therapeutic target. It has been suggested that GPCRs undergo massive genetic variations such as genetic polymorphisms and DNA insertions or deletions. Among these genetic variations, non-synonymous natural variations change the amino acid sequence and could thus alter GPCR functions such as expression, localization, signaling, and ligand binding, which may be involved in disease development and altered responses to GPCR-targeting drugs. Despite the clinical importance of GPCRs, studies on the genotype-phenotype relationship of GPCR natural variants have been limited to a few GPCRs such as b-adrenergic receptors and opioid receptors. Comprehensive understanding of non-synonymous natural variations within GPCRs would help to predict the unknown genotype-phenotype relationship and yet-to-be-discovered natural variants. Here, we analyzed the non-synonymous natural variants of all non-olfactory GPCRs available from a public database, UniProt. The results suggest that non-synonymous natural variations occur extensively within the GPCR superfamily especially in the N-terminus and transmembrane domains. Within the transmembrane domains, natural variations observed more frequently in the conserved residues, which leads to disruption of the receptor function. Our analysis also suggests that only few non-synonymous natural variations have been studied in efforts to link the variations with functional consequences.
Many insects such as mosquitoes cause life-threatening diseases such as malaria, yellow fever and West Nile virus. Malaria alone infects 500 million people annually and causes 1-3 million death per year. Volatile insect repellents, which are detected through the sense of smell, have long been used to protect humans against insect pests. Antifeed-ants are non-volatile aversive compounds that are detected through the sense of taste and prevent insects from feeding on plants. The molecular targets and signaling path-ways required for sensing insect repellents and antifeedants are poorly understood. Transient Receptor Potential (TRP) Ca2+-permeable cation channels exist in organisms ranging from C. elegans to D. melanogaster and Homo sapiens. Drosophila has 13 family members, which mainly function in sensory physiology such as vision, thermotaxis and chemotaxis. G protein-coupled receptors (GPCRs) initiate olfactory signaling cascades in mammals and in nematodes C.elegans. However, the mechanisms of G protein signaling cascades in insect chemosensation are controversial. In this review, I will discuss the putative roles of G protein-coupled receptors (GPCRs) and Transient Receptor Potential (TRP) channels as targets for insect repellents.
설치류를 포함한 대부분의 포유동물은 페로몬 반응을 중개하는 두 개의 화학감각 시스템(chemosensory system)을 갖고 있는데, 각각 주후각시스템(main olfactory system, MOS)과 부후각시스템(accesory olfactory system, AOS)이다. MOS에 속하는 화학감각뉴런들은 주후각 상피 내에 위치하며, AOS에 속하는 화학감각뉴런들은 비강 윗부분의 서골비기관(vomeronasal organ, VNO)에 위치한다. 공기 중의 비휘발성 페로몬 성분들은 구개 위쪽으로 열린 관을 통해 VNO의 내강으로 이동한다. 페로몬 수용체 단백질들은 크게 두 개의 슈퍼패밀리 V1R과 V2R로 나뉘는데, 이들은 구조적으로 큰 차이가 있으며 MOS에서 발현되는 후각 수용체들과는 무관하다. 이들은 7개의 막관통 도메인을 갖는 G-단백질 결부 단백질(seven transmembrane domain G-protein coupled proteins, V1R은 $G_{{\alpha}i2}$와, 그리고 V2R은 $G_{0\;{\alpha}}$와 연관)이다. V2R은 비고전적 MHC Ib 유전자 산물인 M10과 기타 8개의 M1 패밀리 단백질들과 함께 작용한다. 그 외 VNO 뉴런의 중요한 구성 분자는 TrpC2로, 이는 transient receptor potential(TRP)의 양이온 채널 단백질이며 세포내 신호전달과정에서 중요한 역할을 할 것으로 추정된다. 포유동물의 화학적 의사소통과정에서 페로몬은 작용 모드 또는 효과에 따라 4종류로 분류할 수 있는데, 프라이머(primer), 신호자(signaler), 조정자(modulator) 그리고 방출자(releaser)이다. 근본적으로 이들 화학신호에 대한 반응들은 개체 간, 심지어는 한 개체 내에서도 다양할 수 있다. 이러한 다양성은 페로몬이 스테로이드 호르몬들과 함께 또는 단독으로, 신경전달물질들과 같은 비스테로이드 요인들의 후각정보 처리 과정에 미치는 각종 조절의 차이에 의해 나타날 수 있다. 이러한 조절은 유리한 사회적, 환경적인 조건들을 갖도록 수용자의 생식 축에 미치는 영향을 증강 또는 촉진한다. 가장 좋은 예는 수컷 생쥐의 소변 중의 테스토스테론 의존적인 주요 요단백질(major urinary proteins, MUPs)에 의한 임신방지효과(Bruce 효과)이다. 흥미롭게도 생쥐 GnRH 뉴런은 냄새와 페로몬 양자 모두로부터 페로몬 신호를 수용하는 것 같다. 비록 상당한 논란의 소지는 있지만, 그간의 연구들은 생식과 기타 여러 기능들 사이에 복잡한 상호교차 관계가 있음을 시사한다. 여기서 GnRH 뉴런은 다양한 원천으로부터의 정보를 통합하고, 다시 다양한 뇌기능을 조절하는 것으로 보인다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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