Способность млекопитающих воспринимать химические стимулы в окружающей среде либо во внутренней среде организма и реагировать на них, зависит прежде всего от набора сенсорных нейронов и рецепторов, количество и разнообразие которых может сильно отличаться даже у существ одного вида в силу различных эндогенных и внешних факторов.
Группа ученых из Университета Женевы в Швейцарии исследовала профиль обонятельных нейронов мышей в условиях стимуляции запахом и обнаружила неожиданную изменчивость в экспрессии генов в зависимости от триггерного обонятельного рецептора и предыдущего воздействия на него. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Млекопитающие используют различные сенсорные инструменты для получения информации об окружающем мире. От того, насколько верной окажется эта картина, зависит в том числе наше выживание и размножение, поэтому в ходе эволюции мы развили достаточное количество различных рецепторов, способных точно реагировать на внешние раздражители. У высокоорганизованных наземных животных, таких как позвоночные и насекомые, развились специальные органы хеморецепции — обоняния и вкуса. Что касается обоняния, то количество генов, отвечающих за распознавание запахов варьируются от нескольких сотен у людей и собак, и до более тысячи у мышей и слонов.
Способность нейронов динамично реагировать на окружающую среду и адаптироваться к ней имеет важное значение для нервной активности организма, которая регулируется в том числе с помощью активации или репрессии специфических генов. Обонятельная система постоянно находится в прямом контакте с сильно изменчивой средой, поэтому здесь особое значение могут иметь сенсорная адаптация и компенсаторные механизмы. Каждый обонятельный нейрон (OSN — olfactory sensory neuron) экспрессирует только один ген, кодирующий белок обонятельного рецептора (OR — odorant receptor), выбранный из репертуара примерно 450 подобных рецепторов у людей и 1200 у мышей. Когда пахучая молекула распознается рецептором, он активируется и генерирует сигнал, который передается в обонятельную луковицу в головном мозге, и затем этот сигнал воспринимается как запах.
В предыдущих исследованиях ученые обнаружили, что после воздействия запахом на обонятельные нейроны мышей, в этих клетках происходит уменьшение количества мРНК (молекул, которые впоследствии позволяют «собрать» белок в рибосоме). После стимуляции рецептора запахом в течение менее часа в нейроне снижалась экспрессия гена, кодирующего этот рецептор, что указывает на очень быстрый механизм адаптации.
В новом исследовании группа профессора Ивана Родригеса с кафедры генетики и эволюции факультета естественных наук в сотрудничестве с профессором Аланом Карлтоном с кафедры фундаментальных нейронаук медицинского факультета проверили гипотезу о том, что процесс адаптации мышей к новому обонятельному опыту влияет не только на специфический ген, кодирующий конкретный обонятельный рецептор, но и на другие гены тоже. Для этого профиль генов, экспрессируемых до и после стимуляции запахом, был определен в тысячах обонятельных нейронов путем секвенирования их матричных РНК.
Сначала удалось обнаружить, что в покое, то есть в среде без стимуляции, профили матричных РНК популяций обонятельных сенсорных нейронов мыши уже сильно отличаются друг от друга и специфичны для обонятельного рецептора, который они экспрессируют. То есть нейроны, экспрессирующие один и тот же рецептор, различаются по экспрессии сотен других генов.
Далее ученые проанализировали экспрессию генов в этих же нейронах после стимуляции пахучими молекулами. Они заметили, что эти молекулы вызывают значительные изменения в экспрессии генов в активированных нейронах.
«Хотя считалось, что связывание молекулы пахучего вещества приведет только к активации соответствующего рецептора, мы обнаружили, что обонятельные нейроны резко меняют свою идентичность, модулируя экспрессию сотен генов после активации. И эта новая идентичность снова зависима от экспрессируемого рецептора. Мы сталкиваемся с неожиданным, масштабным, быстрым и реверсивным механизмом адаптации», — объясняет Иван Родригес, соавтор исследования.
Эта работа указывает на то, что обонятельные нейроны следует рассматривать не просто как сенсоры, переходящие из состояния покоя в состояние возбуждения, но что их идентичность находится в постоянной эволюции как вследствие воздействия активированного рецептора, так и вследствие предыдущего опыта. Это открытие еще раз подчеркивает уровень сложности и гибкости обонятельной системы. Понимание того, как именно формируется идентичность обонятельных нейронов, станет одной из следующих задач команды женевских ученых.
Таким образом, обонятельная слизистая оболочка млекопитающих представляет собой многофункциональный сенсор, нейронные элементы которого, использующие обонятельные рецепторы в качестве внутренних и внешних химических зондов, находятся в постоянной эволюции, адаптируясь к миру посредством активации масштабных транскриптомных программ.
Текст: Виктория Киричок