Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

ОСБ млекопитающих расположены в носовой слизистой, куда выходят реснички ольфакторных нейронов – это так называемое перирецепторное пространство. Они участвуют в перирецепторном процессе, то есть во всем, что происходит с молекулами пахучих веществ до того, как они достигнут ресничек и повстречаются с рецепторами их мембраны.

У насекомых анатомия хемосенсорных органов совершенно другая. Одно из основных отличий насекомых от позвоночных заключается в скелете – жесткой структуре, поддерживающей и защищающей мягкие части организма. Позвоночные носят свой скелет внутри, а насекомые – снаружи, как броню. Отсюда проистекают и разные стратегии поддержания водной среды вокруг сенсорных нейронов. Нет нужды объяснять, почему водная среда так важна для поддержания жизни в нежных хвостиках нейронов и активности белков у них на поверхности. Позвоночные развили у себя толстую слизистую оболочку – что-то вроде желе, в котором огромные молекулы полисахаридов связывают множество молекул воды, радикально сокращая испарение, несмотря на то что сквозь назальные структуры постоянно проходит воздух. У насекомых же окончания сенсорных нейронов, дендриты, защищены слоем жесткой кутикулы, которая одновременно сохраняет влажность внутренней среды. Устройство ольфакторной сенсиллы, единичного сенсора из тысяч, расположенных на антенне насекомого, показано на рисунке 25.

Твердая кутикулярная стенка сенсиллы защищает дендриты ольфакторных нейронов, погруженных в вязкое желе, где содержится приблизительно 100 мг/мл одоранто-связывающих белков. Производство таких количеств белка для одного крошечного насекомого стоило бы дикого расхода энергии – если бы не требовалось для каких-то жизненно важных целей.

Этот и другие доводы говорят в пользу того, что ОСБ и правда следует считать основными действующими лицами всего процесса обоняния у насекомых. Увы, что именно они делают и как, до сих пор остается не вполне понятным.

Рисунок 25. Схематичное изображение ольфакторной сенсиллы у насекомых. Дендриты ольфакторных нейронов заключены в кутикулярный мешочек, заполненный лимфой на водной основе. В основном лимфа состоит из одоранто-связывающих белков, которые синтезируются и рециклируются тремя специализированными клетками, расположенными у основания сенсиллы. Отверстия в кутикулярной стенке позволяют молекулам пахучего вещества проникать в сенсиллу и стимулировать ольфакторные нейроны; при этом вода из-за своего поверхностного натяжения наружу не выливается.

Поначалу исследованиям в этой сфере сильно мешал маленький размер подопытных, но с распространением методов молекулярной биологии это ограничение было снято, и многие сотни видов стали изучаться на предмет одоранто-связывающих белков, а не так давно свою лепту внесла и расшифровка генома, которая легла в основу не одного эксперимента. В последние несколько лет новые техники секвенцирования позволили идентифицировать все гены, присутствующие в любом данном органе или организме, – недорого и за самое короткое время.

Идентификация новых последовательностей больше не конечная цель процесса, а самое его начало. Экспериментальная работа сейчас нацелена в основном на понимание функций белков. Ученые берут последовательности, способные представлять особый интерес, заражают белком бактерии (обычно в высокорепродуктивных количествах) и изучают продукт с функциональной и структурной точки зрения. Дополнительную информацию о физиологической роли того или иного белка можно получить, заблокировав соответствующий ген и проверив эффект на биологическом, физиологическом и поведенческом уровне.

Итак, стимулом для исследований обоняния у насекомых стали новые технологии и та практическая польза, которую может принести возможность контролировать популяции вредителей сельского хозяйства и кровососущих насекомых вроде комаров. На самом деле исследования ОСБ у насекомых ведутся гораздо активнее, чем у млекопитающих и вообще у позвоночных. Увы, несмотря на огромные объемы информации – как структурного, так и функционального толка, – собранной с рекомбинантными белками, мы еще до сих пор слабо понимаем, как именно белки участвуют в идентификации химических стимулов и зачем они нужны насекомым в таких беспрецедентных количествах. Позже мы еще вернемся к этому вопросу – после того, как представим вам главных специалистов по переводу и интерпретации химических сигналов, а именно ольфакторные белки-рецепторы, сидящие на мембране хемосенсорных нейронов.

Пришло время поближе познакомиться еще с одним персонажем, участвующим в хемодетекции. В лимфе хемосенсилл у насекомых (то есть в той же самой среде, из которой удалось изолировать ОСБ) был обнаружен еще один класс маленьких растворимых белков. Как и ОСБ, они присутствуют там в очень высоких концентрациях и способны связывать одоранты и феромоны.

Эти белки получили название хемосенсорных (ХСБ), что указывает на их общую роль в хеморецепции, без ограничения одним только обонянием. В самом начале эти белки были найдены на контактных сенсиллах и считались отвечающими за вкус, но потом их выявили и на ольфакторных.

Структурно эти белки состоят из α-спиральных доменов, организованных в трехмерные укладки, совсем непохожие на ОСБ насекомых (см. рис. 24). ХСБ тоже очень компактны и стабильны, что вместе с липокалинами и ОСБ насекомых открывает им обширные технологические перспективы.

Уникальная стабильность и эффективность всех трех классов изученных нами белков, ОСБ млекопитающих, ОСБ насекомых и ХСБ, и их способность связывать широкий спектр химикатов, сравнимый с количеством встречающихся в природе одорантов, видимо, и отвечают за то, что эти белки содержатся во многих органах и тканях помимо носа и хемосенсилл.

Как только ученые сумели изолировать образец коровьего ОСБ, они тут же подвергли его секвенционному анализу, чтобы понять, к какому классу белков он может относиться. Еще до наступления эры геномов у них в распоряжении была большая база данных по последовательностям белков: естественно, они надеялись найти параллели с чем-то уже изученным. Им хватило коротенького сегмента последовательности, всего в 25 аминокислот, чтобы выявить заметное сходство с маленькими растворимыми белками, присутствующими в моче мышей и крыс.

ОСБ – переносчики феромонов в моче грызунов

Эти белки, получившие название ОМБ (основные мочевые белки), были описаны еще в 1965 году, но два десятилетия спустя их функции все еще оставались для науки загадкой. Один факт не давал ученым покоя: эти ОМБ выделялись в мочу мышей в количестве до 10 миллиграммов в день – это примерно 10 % азотного баланса животного. Такую колоссальную трату энергии должно что-то оправдывать, какие-то очень важные функции.

Любопытно, что значительное сходство между ОМБ и ОСБ в итоге пролило свет не на функции ОСБ, а на присутствие ОМБ в моче, убедительно разрешив загадку двадцатилетней давности. Логично было предположить, что, если ОСБ связывают одоранты и феромоны, ОМБ тоже будут работать с подобного рода лигандами. Впоследствии это было экспериментально доказано Андреа Каваджони, который обнаружил и еще один, более интересный момент: изолированные из мышиной мочи ОМБ оказались нагружены химическими веществами, которые ученые уже идентифицировали как мышиные феромоны.