Как клетки в носу обнаруживают запахи

Человеческий нос содержит миллионы обонятельных нейронов, сгруппированных в сотни различных типов. Каждый такой тип экспрессирует только один обонятельный рецептор, и все нейроны, экспрессирующие один и тот же рецептор, соединяются с одной областью в мозге. Такая организация позволяет распознавать конкретные запахи.

Например, запах розы активирует только те нейроны, которые экспрессируют специфический рецептор, детектирующий химическое вещество, выделяемое розой. Это, в свою очередь, активирует определённую область мозга. Тухлые яйца активируют другой класс нейронов с другим рецептором и другую часть мозга. Как достигается паттерн «один рецептор на нейрон», критичный для различения запахов, долгое время оставалось загадкой.

Команда учёных под руководством нейробиологов из Калифорнийского университета в Риверсайде нашла объяснение. Изучая рецептор для детекции углекислого газа (CO₂) у Drosophila (плодовой мушки), исследователи идентифицировали в обонятельных нейронах крупный мультибелковый комплекс MMB/dREAM, который играет ключевую роль в выборе рецепторов CO₂ для экспрессии в соответствующих нейронах.

Результаты исследования опубликованы в выпуске Genes & Development от 15 ноября.

Тормозной механизм

По словам учёных, молекулярный механизм сначала блокирует экспрессию большинства генов обонятельных рецепторов (~60) в антеннах мухи. Этот механизм, действующий как «тормоз», основан на репрессивных гистонах — белках, плотно оборачивающих вокруг себя ДНК. Все насекомые и млекопитающие обладают таким механизмом, который держит большие семейства генов обонятельных рецепторов в подавленном состоянии.

«Как тогда снять этот тормоз, чтобы только рецептор CO₂ экспрессировался в "CO₂-нейроне", а остальные рецепторы оставались подавленными? Мы обнаружили, что комплекс MMB/dREAM может воздействовать на гены рецепторов CO₂ и снимать репрессию тормозного механизма — подобно тому, как убрать ногу с педали тормоза. Это позволяет нейронам экспрессировать рецепторы и реагировать на CO₂», — пояснил руководитель исследования Анандасанкар Рэй.

Он привёл аналогию с печатной машинкой: когда ни одна клавиша не нажата, пружинный механизм («тормоз») удерживает рычаги от бумаги. Нажатие клавиши преодолевает тормоз для этой конкретной буквы. Так и экспрессия одного рецептора в одном нейроне позволяет генерировать разные типы сенсоров в носу. Без этого одна клетка экспрессировала бы несколько рецепторов, и не было бы разнообразия сенсоров.

Модуляция уровня ответа

Исследователи также обнаружили, что активность комплекса MMB/dREAM у Drosophila может изменять уровни рецептора CO₂ и модулировать силу ответа на углекислый газ.

«Если снизить активность комплекса, вы также снизите экспрессию рецепторов CO₂, и мухи не смогут эффективно чувствовать CO₂», — сказал Рэй. — «Особенно обнадёживает то, что этот комплекс высоко консервативен и у комаров. Это означает, что мы можем попытаться снизить его активность у комаров с помощью генетических стратегий и, возможно, уменьшить их способность чувствовать CO₂, который они используют для поиска человека-хозяина».

Антенна versus максиллярный щупик

Интересно, что мухи чувствуют CO₂ рецепторами, расположенными на антеннах, и избегают его источник. Комары же, наоборот, привлекаются CO₂ и используют рецепторы, расположенные не на антеннах, а на другом органе — максиллярных щупиках (небольшие структуры near ротового аппарата). Исследовательская группа обнаружила, что два специфических белка в комплексе MMB/dREAM у комаров (E2F2 и Mip120) имеют последовательности, довольно сильно отличающиеся от соответствующих белков у Drosophila.

«Эти белки могут объяснять, почему Drosophila экспрессирует рецепторы CO₂ в антеннах, а комар — в максиллярных щупиках», — заключил Рэй.