Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

В противоположность этим распространенным представлениям Ричард Аксель и Линда Бак были убеждены, что ольфакторные рецепторы представляют собой огромное мультигенное семейство, – и оказались в итоге совершенно правы. Блестящее интуитивное прозрение! При таком сценарии искать белки-рецепторы биохимическими методами не имело ни малейшего смысла, и эта пара исследователей решила сосредоточиться на соответствующих генах.

В конце 1980-х, когда Бак и Аксель приступили к исследованиям, молекулярная биология уже прочно стояла на ногах. Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) стремительно набирал популярность благодаря беспрецедентной эффективности в изучении генов с очень низкой экспрессией – именно к таким, как предполагалось, относятся и ольфакторные рецепторы.

Амплификация гена с помощью ПЦР – дело совсем не сложное, если вы уже знаете хотя бы несколько фрагментов его нуклеотидной цепочки. Но с ольфакторными рецепторами все было по-другому. Искать пришлось среди сотен и тысяч разных секвенций, причем не понимая толком, что именно ты ищешь. След был один, да и тот совсем слабый: ученые знали, что некий мембранный белок, называемый G-белком, был ступенькой от обонятельного стимула к восприятию и что G-белки связаны с особым семейством рецепторов, расположенных в клеточной мембране, причем очень интересным способом: они пересекают ее по нескольку раз, следуя попеременно то внутрь клетки, то наружу. Из-за этой своей особенности они называются 7-ТМ (семь трансмембранным) семейством. Уже упоминавшийся родопсин и β-адренэргические рецепторы (занимающиеся регистрацией нейротрансмиттеров) относятся к этому семейству. На тот момент они уже были изучены достаточно хорошо. Бак и Аксель сосредоточились именно на этих рецепторах и приняли их последовательности за шаблон для дизайна коротких сегментов ДНК (праймеров), с помощью которых в ПЦР планировалось выловить какие-нибудь ольфакторные рецепторы.

Да, все выглядит просто и прямолинейно, но на самом деле искать ольфакторные рецепторы примерно так же легко и удобно, как пресловутую иголку в стоге сена. Несколько лабораторий в то время параллельно шли по следу и сотнями проводили ПЦР-эксперименты, постоянно клонируя и выбрасывая гены, в надежде отыскать ту единственную последовательность, которая укажет путь ко всем генам ольфакторных рецепторов, – словно золотоискатели в поисках вожделенного самородка.

В таких ситуациях нужнее всего терпение и настойчивость – умение снова и снова терпеть поражение и не сдаваться. Ну и конечно, твердая вера в то, что предмет поисков вообще существует на свете и что рано или поздно ты его обязательно найдешь. Линда Бак не только обладала всеми этими качествами, но и лучше других умела сочинять праймеры и ставить эксперименты. Возможно, ей вдобавок сопутствовала удача, но все-таки главным фактором, принесшим успех по истечении трех долгих лет, была стойкость.

Первые свои результаты Линда Бак и Ричард Аксель обнародовали в 1991 году в престижном журнале Cell [1]. Публикация статьи произвела эффект разорвавшейся бомбы. Они практически снесли глухую стену, открыв науке доступ в скрывавшийся за ней целый новый мир. Через 13 лет важность их открытия была признана в мировом масштабе: оба ученых получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии [2].

Всякому, кто занимался обонянием, было ясно, что фрагментарные последовательности, о которых написал Cell, содержат ключ к пониманию всего языка запахов. Многие лаборатории, занимавшиеся поиском ольфакторных рецепторов, с помощью новой информации сделали огромный шаг вперед – да что там шаг, практически прыжок. Другие группы изменили сам подход к проблеме и организовали новые молекулярно-биологические исследовательские центры. То, что каких-то десять лет назад считалось областью ненадежной и рискованной, куда лучше лишний раз не заглядывать, ныне превратилось в святую землю, текущую молоком и медом.

Впервые наука получила прямой доступ к рецепторам, считывающим химическую информацию, записанную в структуре одорантов, и переводящим ее в электрические сигналы, которые, попадая в мозг, порождают эмоции, слова и поведенческие реакции. Линда и Ричард заложили первый, самый важный кирпичик, но сделать предстояло еще очень много. Сложные механизмы, ведущие к воспринимаемым мозгом ощущениям, затейливые нейронные сети, по которым путешествуют обонятельные сообщения, мешая друг другу и взаимодействуя с прочими областями мозга, еще только ждали своего исследователя.

Ольфакторные рецепторы как представители огромного мультигенного семейства

После открытия ольфакторных рецепторов ученые первым делом задались вопросом, сколько же их всего. Было уже ясно, что количество генов, кодирующих эти белки, превышает любые предварительные оценки, сделанные на базе психофизических исследований. Первые полученные данные дали возможность оценить их количество у крыс приблизительно в 1000. Получается, что в плане сложности кода обоняние куда ближе к слуху, чем к зрению.

Позже, уже после расшифровки генома, открывшей доступ ко всем генным последовательностям, количество ольфакторных рецепторов у крыс было пересмотрено: их скорее ближе к 1500, из которых 20 % не работает. Их называют псевдогенами, так как в последовательностях у них есть ряд ошибок, делающих экспрессию невозможной. Схожая картина наблюдается у мышей и собак, с 1300 и 1100 генами соответственно. У этих видов около 20 % генов, присутствующих в геноме, тоже не доходят до экспрессии. А вот у людей ситуация уже другая. Хотя общее количество генов у нашего вида более 900, находятся в рабочем состоянии и потенциально активны из них менее 350. Этот факт недвусмысленно свидетельствует, что мы постепенно теряем обоняние.

Почему же и как это происходит? В ходе эволюции в генах постоянно происходят случайные мутации – это просто следствие ошибок. Несовершенство воспроизводящего гены механизма – это не проблема; напротив, оно работает во благо нам и играет в эволюции очень важную роль. Эволюция как таковая вообще происходит в основном благодаря случайным ошибкам. Большая их часть не имеет никаких последствий для белка, кодируемого тем или иным геном, так как генетический код по природе своей избыточен, и во многих случаях замена одного-единственного нуклеотида все равно дает триплет, кодирующий ту же самую аминокислоту. Когда меняется аминокислота, мутация может оказаться в итоге благотворной, нейтральной или вредоносной для жизни и здоровья особи. Естественный отбор определит, какой вариант самый благоприятный, и назначит его победителем. В некоторых случаях замена одного нуклеотида может привести к терминирующему кодону – то есть к сигналу, велящему системе прекратить синтез данного белка, – или к другим проблемам, вследствие которых экспрессия белка все равно будет нарушена. Понятно, что, если белок незаменим или очень важен для жизни, особь может умереть, не успев передать свой генетический материал потомству.

Но если отсутствие белка не подвергает опасности жизнь и здоровье особи, то ущербный ген передается дальше, будущим поколениям, а с ним вместе и мутация.

Люди вообще не слишком полагаются на чувство обоняния. Даже совершенный аносмик может вести нормальную жизнь, ничуть не страдая от этой аномалии в процессе поиска партнера или выбора пищи. Более того, учитывая большое общее количество ольфакторных рецепторов, присутствие среди них горстки неработающих, скорее всего, вообще не будет никем замечено на протяжении всей жизни индивидуума. Это объясняет широкую распространенность псевдогенов в человеческой популяции – по крайней мере, в сравнении с другими млекопитающими. Если взять приматов, там эта тенденция тоже подтверждается: 30 % псевдогенов у низших обезьян и 50 % – у человекообразных. Что касается людей, то логично было бы предположить (и психофизические исследования до некоторой степени подтвердили эту гипотезу), что у каждого из нас нет как минимум нескольких ольфакторных рецепторов, так что такого явления, как полностью нормальный субъект, в обонянии, в отличие от зрения, просто не существует.