Структура ионного канала показывает, как насекомые обоняют мир
Комары находят свою кровавую трапезу с помощью тонко настроенного обоняния. Однако не все насекомые могут учуять уязвимую плоть. Каждая обонятельная система насекомых адаптирована к конкретной среде обитания и потребностям вида. Новое исследование учёных из Рокфеллеровского университета предполагает, что эта универсальность обеспечивается уникальной структурой одорант-управляемых ионных каналов.
В статье, опубликованной в Nature, Ванесса Рута и её коллеги описывают структуру одного такого ионного канала и предлагают объяснение, как разнообразные каналы эволюционировали, чтобы соответствовать жизни насекомых в различных экологических нишах.
Обнаружение разнообразия
Разные виды насекомых имеют разное количество и типы обонятельных рецепторов, отражая спектр запахов, важных для пчёл, термитов, тараканов и других. Исследователи оценивают, что эволюционировали десятки миллионов разновидностей рецепторов, каждый настроен на обнаружение определённого химического вещества (одоранта). Несмотря на это разнообразие, все рецепторы функционируют одинаково: они формируют ионный канал, который открывается только при встрече с целевым одорантом.
«Обонятельные рецепторы насекомых, вероятно, — самое большое семейство ионных каналов в природе, и они невероятно разнообразны», — говорит Рута. Чтобы понять, как насекомые достигают этого баланса разнообразия и постоянства, команда сосредоточилась на субъединице канала, известной как Orco.
Обонятельные ионные каналы состоят из одного белка Orco и комбинации белков обонятельных рецепторов, которые варьируются от вида к виду. Поскольку Orco так стабильно встречается в мире насекомых, учёные предположили, что его изучение поможет понять работу этих каналов.
Используя криоэлектронную микроскопию, исследователи определили структуру канала, полностью состоящего из белков Orco (гомомер Orco). Они обнаружили, что этот канал состоит из центральной поры, через которую протекают ионы, окружённой четырьмя субъединицами. Также они наблюдали, что субъединицы связаны вместе в одной точке, которую Рута назвала якорным доменом.
«Это почти как букет, где каждый цветок соединён в центре, а стебли расходятся в разные стороны», — говорит она.
Эта микроскопическая структура даёт ключ к пониманию эволюции разнообразия рецепторов. Ранее было неясно, как один комплекс может физически вмещать множество природных обонятельных рецепторов. Однако структура гомомера Orco прояснила ситуацию.
«Белки упакованы вместе очень свободно — они едва соприкасаются. Концентрируя взаимодействия в якорном домене, остальная часть белка может диверсифицироваться и эволюционировать очень быстро», — объясняет Рута.
Собирая всё воедино
В другом эксперименте учёные проанализировали обонятельные рецепторы четырёх разных видов насекомых. Они обнаружили, что, хотя эти белки сильно различаются, они имеют общие черты в поре и якорном домене, что предполагает консервативность этих компонентов у разных видов. Кроме того, исследователи полагают, что Orco действует как гарант, обеспечивая работу канала даже в случае мутаций в этих областях.
«Orco выполняет две роли: он удерживает всё вместе и помогает каналу правильно функционировать. Области, участвующие в связывании разных запахов, свободны для эволюции, потому что есть стабильный компонент, который всё скрепляет», — говорит ведущий автор исследования Джоэл Баттервик.
Это исследование не только даёт представление о насекомых, но и может в конечном итоге привести к инновациям, полезным для человека. Комариные укусы не только вызывают зуд, но и могут передавать серьёзные заболевания, такие как малярия, вирус Зика и лихорадка денге. Один из способов предотвратить эти болезни — помешать насекомым учуять человека-хозяина.
«Мы надеемся использовать наши структурные данные для разработки более эффективных репеллентов и помочь снизить бремя болезней, переносимых комарами», — говорит Рута.