Молекулярные сообщения от антенн

Насекомые используют свои антенны для обоняния и, следовательно, для поиска ресурсов в окружающей среде. Исследователи из Института Макса Планка представили первый полный анализ генов, участвующих в антеннальном обонянии табачного бражника Manduca sexta. Примерно 70 различных рецепторов, экспрессируемых примерно в 100 000 нейронов, позволяют этим бабочкам обнаруживать большое количество запахов и выполнять соответствующее поведение, управляемое запахами. Это первый более или менее полный антеннальный транскриптом, охарактеризованный у насекомого, не являющегося модельным организмом.

Насекомые обладают высокочувствительным обонянием. Крайне низкие концентрации молекул запаха в воздухе достаточны для обнаружения рецепторными нейронами на их антеннах. Специфические белки, так называемые рецепторные белки, экспрессируемые в этих нейронах, распознают запахи. Молекулы запаха связываются с рецепторами и производят химические и электрические сигналы, которые обрабатываются в мозге насекомого и в конечном итоге влияют на его поведение.

Помимо рецепторов, в обонянии участвуют и другие белки, включая ферменты и хемосенсорные белки. Основываясь на этих молекулярных принципах, все насекомые следуют своей врожденной и элементарной формуле выживания: поиск пищи, распознавание партнеров и — в случае самок — определение адекватных мест для откладки яиц, которые гарантируют питательную и легко усваиваемую пищу для их потомства.

Бабочки (Lepidoptera) являются популярными объектами исследований наряду с плодовыми мушками. Геном тутового шелкопряда Bombyx mori полностью секвенирован. Однако это насекомое было одомашнено человеком тысячи лет назад, поэтому его диких сородичей больше нельзя найти. С другой стороны, «привычки» табачного бражника Manduca sexta, вида бабочек, родом из Северной Америки, были предметом интенсивных физиологических исследований для изучения обонятельной системы насекомых, а в последнее время также потому, что его растение-хозяин, дикий табак Nicotiana attenuata, стал важной модельной культурой в экологических исследованиях.

Генетический анализ антенн Manduca sexta заполняет пробел в изучении поведения насекомого, направленного на запахи: хорошо изучено высвобождение растениями табака молекул запаха, индуцированное стрессом, а также опыление цветов бабочками. «Но как запах растения — образно говоря — попадает в мозг насекомого?» — задается вопросом Билл Ханссон, директор основанного в 2006 году департамента эволюционной нейроэтологии Института Макса Планка.

Ученые определили антеннальный транскриптом как важную основу для изучения обонятельной функции насекомого и полностью секвенировали все активные гены в антеннах. Кроме того, они определили количество отдельных матричных РНК (mRNA), принадлежащих каждому гену. Была проанализирована последовательность, включающая более 66 миллионов нуклеотидов. В основном результаты можно резюмировать следующим образом:

i. У Manduca sexta есть 18 специфических обонятельных связывающих белков (OBP) и 21 хемосенсорный белок (CSP).

ii. Самцы Manduca обладают 68 различными обонятельными рецепторами, каждый из которых экспрессируется в специфическом типе нейрона, связанном с соответствующим гломерулом в мозге, тогда как у самок 70 таких «единиц ответа». Большинство рецепторов удалось идентифицировать в ходе этих исследований.

iii. 69% транскриптов не удалось отнести к определенной функции гена: их роль в антеннах пока неизвестна. Предположительно, существует гораздо больше нейронных механизмов обработки стимулов в антеннах, которые еще предстоит выяснить. Некоторые mRNA подразумевают интенсивную ферментативную активность, например, эстераз; также наблюдается большее количество транскриптов, регулирующих экспрессию генов, что указывает на то, что антенна может реагировать на новые ситуации путем регуляции генов.

iv. Генетика антенн не кажется особенно сложной: для сравнения, в средней кишке личинки активных генов почти в два раза больше, чем в антеннах взрослой бабочки. Только 348 генов экспрессируются исключительно у самцов; самки, в свою очередь, имеют 729 уникальных генов. Это может быть связано с их жизненно важной задачей откладывать оплодотворенные яйца в идеальных местах, таких как листья дикого табака, где молодые личинки могут питаться.