Гены в движении помогают носу различать запахи

Человеческий нос может различать триллион различных запахов. Для этого требуется 10 миллионов специализированных нервных клеток (нейронов) и семейство из более чем 400 специальных генов. Однако как именно эти гены и нейроны работают вместе, долгое время оставалось загадкой, отчасти потому, что активность генов в каждом нейроне казалась слишком простой: каждый нейрон активирует только один из сотен обонятельных генов.

Новое исследование на мышах, проведенное в Колумбийском университете и опубликованное в Nature, выявило удивительную находчивость генома. Перестраиваясь в трехмерном пространстве, он координирует регуляцию этих генов в каждом нейроне, создавая биологическое разнообразие, необходимое для различения запахов.

"Мы определили геномный механизм, с помощью которого конечное число генов в итоге помогает различить кажущееся почти бесконечным количество запахов", — сказал старший автор статьи Ставрос Ломвардас.

Обоняние невероятно сложно. Нейроны обонятельных рецепторов делают его возможным. Хотя каждый нейрон содержит полный набор из примерно 1000 генов обонятельных рецепторов у мыши (у человека — более 400), активен в нем только один ген, выбранный случайным образом. Это правило "один ген на нейрон" долгое время оставалось загадкой.

"У мышей гены обонятельных рецепторов разбросаны по геному примерно в 60 разных местах — на разных хромосомах, довольно далеко друг от друга", — пояснил соавтор Кевин Монахан.

Используя новую технику геномного секвенирования in situ Hi-C, команда обнаружила, что хромосомы взаимодействуют гораздо чаще, чем предполагалось. Снимки показали, что кластеры генов обонятельных рецепторов на разных хромосомах физически сближаются друг с другом перед выбором активного гена.

Вскоре после этого в отдельном трехмерном компартменте собираются энхансеры — генетические элементы, регулирующие активность генов. Ранее команда обнаружила группу таких энхансеров, названных "Греческими островами".

"Эта работа показала, что эти энхансеры создают "горячие точки" активности, чтобы регулировать "выбранный" ген обонятельного рецептора", — сказал соавтор Адан Хорта.

Команда также обнаружила, что белок Ldb1 играет ключевую роль в этом процессе, удерживая "Греческие острова" вместе и позволяя им включить конкретный ген.

"Эти команды генов наделяют обонятельную систему способностью реагировать разнообразно", — сказал доктор Монахан. "Гибкость этого процесса может помочь объяснить, как мы легко учимся и запоминаем новые запахи".

Хотя результаты специфичны для обоняния, они могут иметь значение для других областей биологии, где играют роль межхромосомные взаимодействия, например, в случае геномных транслокаций, вызывающих рак.

"Могут ли активность других клеток формироваться теми трехмерными изменениями, которые мы видим в нейронах обонятельных рецепторов? Это открытый вопрос, который мы надеемся изучить", — сказал доктор Ломвардас.