Запах опасности: Обоняние грызунов и химия инстинкта

Механизмы инстинктивного поведения остаются загадкой. Даже простой вопрос о том, как мышь использует мощное обоняние для обнаружения и избегания хищников, включая виды, с которыми никогда не встречалась, до недавнего времени был почти неизвестен на молекулярном уровне.

Нейробиологи из Гарвардской медицинской школы Дэвид Ферреро и Стивен Либерлес обнаружили единственное соединение, содержащееся в высокой концентрации в моче хищников, которое вызывает инстинктивную реакцию избегания у мышей и крыс. Впервые ученые идентифицировали химическую метку, позволяющую грызунам на расстоянии почувствовать хищников в целом. Понимание молекулярной основы распознавания запаха хищника даст ключевые инструменты для изучения нейронных цепей, связанных с врожденным поведением.

Результаты были опубликованы онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences 20 июня 2011 года.

Поиск начался в 2006 году, когда Стивен Либерлес, работая постдоком в лаборатории Линды Бак (часть команды, получившей Нобелевскую премию за идентификацию обонятельных рецепторов), открыл новый тип обонятельных рецепторов — рецепторы, ассоциированные с следовыми аминами (TAARs).

У мышей около 1200 видов обонятельных рецепторов и 14 видов TAARs. Для сравнения, у людей — около 350 обонятельных рецепторов и пять TAARs.

Первоначальные данные показали, что некоторые TAARs реагируют на химические вещества в моче мышей. Это навело на мысль: могут ли TAARs (которые, по-видимому, эволюционировали из рецепторов нейромедиаторов) играть роль в социальном поведении грызунов? Какие еще природные запахи они могут обнаруживать?

В лаборатории Либерлеса аспирант Дэвид Ферреро начал поиск природных соединений, детектируемых TAARs. Работая с коммерчески доступной мочой хищников и жертв, он обнаружил, что один из 14 рецепторов, TAAR4, реагирует на запах нескольких хищников.

Похоже, был найден кайромон — химическое вещество, работающее как феромон, но для коммуникации между разными видами. До этого открытия были известны лишь кайромоны "лиса-грызун" (летучее соединение, специфичное для лис) и "кошка/крыса-мышь" (нелетучие соединения). Летучие соединения могут улавливаться на большом расстоянии, что критично для избегания хищника.

"Новизна в том, что это обобщенный летучий кайромон хищника", — сказал Ферреро.

Для грызунов это запах опасности.

Ферреро идентифицировал активирующее TAAR4 соединение как 2-фенилэтиламин — продукт метаболизма белков. Анализ образцов от 38 видов млекопитающих показал повышенный уровень 2-фенилэтиламина у 18 из 19 видов хищников, но не у нехищников (кроликов, оленей, приматов, жирафа).

"Мы обнаружили одну молекулу, которая является ключевой частью этих экологических отношений", — отметил Ферреро.

В серии поведенческих тестов крысы и мыши демонстрировали явное врожденное избегание запаха 2-фенилэтиламина. Тесты с образцами мочи хищников, лишенными этого соединения, показали, что полное избегание не срабатывает, подтверждая его ключевую роль.

У людей нет гена TAAR4, поэтому мы не испытываем того, что грызуны, чувствуя 2-фенилэтиламин (для нас он имеет слабый, неотвратный запах). Однако триметиламин, родственное соединение, активирующее рецептор TAAR5, который есть у людей, вызывает глубокое отвращение.

Что происходит между рецепторами и отделами мозга, запускающими поведение избегания, остается загадкой, имеющей прямое медицинское значение.

"Переход от химических веществ к рецепторам, нейронным цепям и поведению — это Святой Грааль нейронауки", — сказал Либерлес. Эта цепь нарушается при таких заболеваниях, как наркомания, а реакция на запах хищника используется для моделирования стресса и тревожных расстройств.

"Мы определили химический стимул и рецептор-кандидат, запускающие конкретное поведение. Это важный первый шаг к пониманию нейронных цепей врожденного поведения", — заключил Ферреро.