Morphological Characterization of main and accessory olfactory systems of horses

Abstract

CHAPTER I: Histochemical study of the olfactory mucosae of the horse The olfactory mucosae of the horse were examined by using histology and lectin histochemistry to characterize the carbohydrate sugar residues therein. Histological findings revealed that olfactory epithelium (OE) consisted of both olfactory marker protein (OMP)- and protein gene product (PGP) 9.5-positive receptor cells, supporting cells and basal cells with intervening secretory ducts from Bowman's glands. Mucus histochemistry showed that Bowman's glandacini contain periodic acid-Schiff (PAS) reagent-positive neutral mucins and alcian blue pH 2.5-positive mucosubstances. Lectin histochemistry revealedthat a variety of carbohydrate sugar residues, including N-acetylglucosamine, mannose, galactose, N-acetylgalactosamine, fucose and complex type N-glycan groups, are present in the various cell types inthe olfactory mucosa at varying levels. Collectively, this is the first descriptive study of horse olfactorymucosa to characterize carbohydrate sugar residues in the OE and Bowman's glands. CHAPTER II : Histological and lectin histochemical studies of the vomeronasal organ of horses The morphological characteristics and glycoconjugate composition of the vomeronasal organ (VNO) of the horse was investigated using histological, immunohistochemical, and lectin histochemical methods. The VNO is bilaterally located at the base of the nasal septum, has a tubular structure surrounded by cartilage, and consists of sensory and non-sensory epithelia. Immunohistochemical examination showed that the vomeronasal sensory epithelium (VSE) consisted of receptor cells positive for both olfactory marker protein (OMP) and protein gene product 9.5 (PGP 9.5), supporting cells, and basal cells. VNO receptor cells were positive for G protein Gαi2 (vomeronasal receptor type 1 marker), but not Gαo (vomeronasal receptor type 2 marker). Lectin histochemical studies using 21 biotinylated lectins showed that the free border of the VSE was positive for 20 lectins. The receptor and supporting cells reacted with 16 lectins while the basal cells reacted with 15 lectins, with varying intensities. In the vomeronasal non-sensory epithelium, the free border was positive for 19 lectins. The cilated cells were positive for 17 lectins and the basal cells were positive for 15 lectins. The vomeronasal glands, positioned in the lamina propria, were stained with both periodic acid Schiff (PAS) and alcian blue (pH 2.5). Eighteen lectins stained the acinar cells of the vomeronasal glands with various binding patterns. These findings suggest that horse VNO receptor cells express vomeronasal receptor type 1, and the VNO glands have mucous to seromucous characteristics. Moreover, each lectin differentially binds each cell type in both the VNO sensory and non-sensory epithelia.

포유류에서 후각은 사회적 상호작용과 생식 행동을 결정하는 주요 감각이며, 그 경로는 주요 후각계(Main olfactory system)와 보조 후각계(Accessory olfactory system; Vomeronsasal system)로 구성된다. 주요 후각계에서 후각 점막의 후각 수용체세포(olfactory receptor cell)는 냄새를 탐지하고 정보를 주요 후각망울에 전달하고, 후각망울은 앞쪽 후각핵, 조롱박엽 피질을 포함하여 뇌의 특정 영역으로 신호를 전송한다. 보조 후각계인 서골코기관 시스템은 후각 망울과 구별되는 경로로 서골코기관의 수용체 세포를 통해 페로몬을 감지하고 그 신호를 보조 후각망울을 경유하여 뇌로 전달한다. 본 연구에서는 성숙한 Thoroughbred종 숫말의 두 후각계의 위치 및 구조를 확인하기 위하여 Computed tomography (CT)촬영을 실시하였고, 육안해부학적 평가를 위해 정중단면으로 절단 후 구조를 확인하였다. 또한 두 후각계가 존재하는 위치인 벌집선반(ethmoturbinate)과 서골코기관을 조직학적으로 연구하였다. 말에서 채취한 벌집선반과 서골코기관은 탈회 작업을 한 후 파라핀에 포매하여, 절편을 제작한 후, 염색하여 후각 점막과 서골코기관 신경상피 및 점막에 대하여 평가하였다. 조직화학적 방법을 이용하여 탄수화물 결합 특이성을 조사하기 위해 렉틴을 이용하여 평가하였는데, 렉틴은 탄수화물 결합 단백질(carbohydrate binding protein)로 세포막 표면에 돌출되어 있으며, 복합당질화(glycoconjugation)를 통해 세포부착, 당단백 합성 등에 중요한 역할을 하며, N-acetylglucosamine, Mannose, Galatose/N-acetylgalactosamine, Complex type N-glycan, Fucose binding lectin 그룹과 같이 5가지 그룹으로 분류되며, 그 중 21종의 렉틴을 이용하여 평가하였다. 후각 점막은 후각 상피와 고유 점막판으로 구성되어 있으며, 서골코기관은 후각 수용체세포가 존재하는 신경상피와 수용체 세포가 존재하지 않는 호흡상피로 구성되어 있다. 후각 상피는 자유모서리, olfactory marker protein (OMP)과 protein gene product 9.5 (PGP 9.5) 양성 후각 수용체세포와 지지세포, 바닥세포로 구성되며, 서골코기관 신경 상피 역시 같은 조직학적 특성을 보인다. 하지만, 서골코기관의 호흡상피는 수용체 세포가 존재하지 않고 자유 모서리, 지지세포와 바닥세포만으로 구성되어 있고 서골코기관의 신경 상피, 호흡상피는 거짓중층원주상피의 형태를 나타낸다. 또한, 서골코기관 신경상피의 수용체 세포는 G protein Gαi2 (서골코기관 수용체 1 형태)만 발현을 하였으며 이는 말에서 서골코기관의 vomeronasal type 1 receptor 경로를 통해 정보를 전달할 것으로 여겨진다. 후각 상피의 Bowman 샘과 서골코기관 샘은 중성 혹은 약산성의 당결합체와 반응하는 Periodic acid Schiff (PAS)와 황산염 에스테르기 및 카르복실기를 포함한 당결합체와 반응하는 alcian blue (pH 2.5)에 모두 양성 반응을 나타냈다. 렉틴조직화학 염색 결과 두 후각계의 자유 모서리에서는 맥아응집소(wheat germagglutinin; WGA)를 포함한 16종의 렉틴이 결합하였고, 수용체 세포에서는 독말풀 유래렉틴(Datura stramonium lectin; DSL)을 포함한 9종의 렉틴이 결합하였다. 또한, 지지세포에서는 바라밀 유래 렉틴(Jacalin)을 포함한 14종의 렉틴이 결합하였으며, 바닥세포에서는 토마토 유래 렉틴(Lycopersicon esculentum lectin; LEL)을 포함한 10종의 렉틴이 결합되었다. 샘에서는 말콩 유래 렉틴(Dolichos biflorus lectin; DBL)을 포함한 15종의 렉틴이 공통적으로 결합하였다. 이를 통해 일부 냄새 분자는 두 후각기 계통의 상피에서 동시에 감지할 것으로 여겨지며, 말의 후각 점막과 서골코기관 신경 상피에서 다양한 탄수화물 말단기를 보유하고 있음을 나타낸다. 이 연구는 말의 두 가지 후각계통에서 렉틴을 이용하여 탄수화물 말단기를 확인한 첫 형태학적 연구이다.