Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

Ольфакторные рецепторы у позвоночных

В процессе поиска ольфакторных рецепторов у какого-нибудь нового вида последовательности дают один заметный бонус – отсутствие интронов. Обычно в гене есть кодирующие сегменты, экзоны, перемежающиеся ненужными, интронами, которые при построении РНК из ДНК просто вырезаются. На уровне РНК ген (из которого дальше будут получать белок) получается путем сшивания вместе разных фрагментов, которые в геноме могут располагаться довольно далеко друг от друга.

Ольфакторные гены позвоночных в такой редактуре не нуждаются. Мы собираем последовательности сразу на уровне генома, и это сильно облегчает поиски. К тому же ольфакторные рецепторы у позвоночных сохраняются достаточно хорошо, и поэтому, основываясь, скажем, на последовательности крыс, можно относительно легко идентифицировать ольфакторные рецепторы и у других видов позвоночных.

Приведем пример. У данио-рерио (рыба) в геноме есть 133 последовательности, кодирующие ольфакторные рецепторы. Функциональны из них менее 100. А вот у тропической лягушки Xenopus tropicalis количество генов приближается к 900, и работают из них 400. Эта лягушка вообще очень интересный вид, и о ней стоит сказать пару слов.

Амфибии ведут двойную жизнь, в воде и на воздухе, и Xenopus среди них – не исключение. Имея две личности и две сферы деятельности, с которыми нужно одинаково эффективно управляться, этот вид обзавелся двумя носами. Как ни странно это звучит, у них действительно две назальных полости, которые открываются и закрываются в зависимости от того, в какой среде находится лягушка. В двух носах находятся два набора ольфакторных рецепторов. Те, что в водном носу, по своим аминокислотным последовательностям больше похожи на рецепторы рыб, а те, что в сухопутном, – на рецепторы млекопитающих.

Также довольно необычны в этом отношении простые куры, у которых из большого количества генов (около 550) работают только 80 или даже меньше – совсем как у человека. Ученые до сих пор спорят о том, какую роль в жизни птиц играет обоняние, да и само существование феромонов у них до сих пор под вопросом. Птицы славятся превосходным зрением – чего стоит хотя бы выражение «зоркий, как орел». Многие аспекты птичьей жизни определяются именно зрением, о чем свидетельствует, например, яркое оперение, стимулируемое половым отбором и нужное самцам для ухаживания за самками. Однако обоняние у птиц, безусловно, есть, и сбрасывать его со счетов нельзя. Самый лучший пример в этом отношении – почтовые голуби, способные летать на огромные расстояния и находить гнездо благодаря записанной в мозгу ольфакторной карте местности. Другие перелетные птицы тоже пользуются обонянием для ориентации в пространстве, а у некоторых видов ученые нашли и предположительные феромоны.

Что происходит, когда дышащие воздухом млекопитающие возвращаются на постоянное жительство в воду, как киты или дельфины? Воздушный нос им больше не нужен, а водный они на этом этапе своей эволюции пока не развили и развить не могут. По большому счету китообразные все аносмики. В этом они на шаг обогнали людей, так как уже успели утратить все свои ольфакторные рецепторы. У китов есть несколько генов ольфакторных рецепторов, но все это псевдогены.

От людей до червячков

Червячком ученые на самом деле прозвали Caenorhabditis elegans, крошечную нематоду, едва различимую невооруженным глазом, которая уже больше полувека верно служит полезной и интересной моделью для изучения генетики и эволюционного развития. Эта малютка стала первым многоклеточным организмом, чей геном нам удалось расшифровать в 1997 году. Позднее ее взяли в оборот и нейробиологи: нематода нашла себя в качестве модели для изучения нервной системы – благо она у нее до крайности проста и состоит всего из 302 нейронов, – но это все равно значительная часть организма червячка, который весь насчитывает 959 клеток.

Несмотря на подобную незамысловатость, у Caenorhabditis elegans более 500 функциональных ольфакторных генов [3], причем все эти сенсорные рецепторы упакованы в 32 нейрона. Это означает, что в каждом нейроне у нее по несколько рецепторов, и, следовательно, он способен регистрировать несколько химических веществ. Запахи, улавливаемые одним нейроном, она не в силах отличить друг от друга и вынуждена записывать в одну категорию. Учитывая такие ограниченные ресурсы, червячок разработал для себя крайне эффективную систему, сочетающую способность регистрировать большое количество разных химических структур с чрезвычайно простой анатомией.

Важнее всего то, как особь реагирует на стимул – а не природа стимула как такового. Например, потенциально токсичные соединения могут относиться к химически разным категориям и нуждаются в обширном репертуаре регистрирующих рецепторов, но суть в том, что все они вызывают один и тот же сигнал тревоги, а потому уходят к одному хемосенсорному нейрону и запускают реакцию отторжения. Примерно так же другой сенсорный нейрон отвечает за разные типы пищи, и, хотя различать разные вкусы система не в состоянии, она регистрируется как съедобная, и червячок получает инструкцию «полный вперед». Это похоже на светофор с его элементарными сигналами, которые не нужно никак объяснять.

Настало время представить вам ведущих персонажей ольфакторной сцены и попробовать разобраться в их структуре. Ольфакторные рецепторы – это белки, состоящие из немногим более 300 аминокислот и содержащие семь гидрофобных сегментов, проникающих через клеточную мембрану, подобно родопсину, β-адренэргическому и другим рецепторам. Концевая аминогруппа цепочки (считающаяся начальной точкой отсчета) находится снаружи, в экстраклеточном пространстве, а карбоксильный конец – внутри.

Клеточная мембрана (для тех, кто не знаком с ее структурой) представляет собой двойной слой фосфолипидов. Это такие странные соединения, имеющие гидрофобный хвостик, который состоит из двух длинноцепочных жирных кислот и гидрофильной головки – молекулы фосфорной кислоты, связанной с какой-нибудь маленькой органической молекулой вроде холина. Эти три кислоты удерживает вместе молекула глицерола. Они в чем-то похожи на триглицериды – молекулы, из которых состоит большинство съедобных жиров, таких как растительные и животные масла (в них молекула глицерола привязана к трем жирным кислотам).

Однако из-за присутствия в той же молекуле группы фосфорной кислоты и длинной цепочки жирной кислоты фосфолипиды ведут себя довольно интересно: они одновременно гидрофильны (из-за фосфорной головки) и гидрофобны (из-за жирнокислотного хвостика). В водной среде эти молекулы легко организуются в двойной слой, где головки взаимодействуют с водой, а хвостики – друг с другом (см. рис. 27). Фрагменты такой пленки имеют свойство сворачиваться в шарики, разграничивая закрытое внутреннее пространство и открытое внешнее, причем и там и там содержится вода. Между собой они коммуницировать не могут, так как их разделяет липидный барьер. Примерно так возникли первые клетки, что стало огромным шагом вперед в эволюции жизни на Земле. Именно мембрана дает клетке самостоятельное, обособленное бытие. Клетка по определению представляет собой отъединенное физическим барьером образование, способное к самоумножению.