Около 10 миллионов нейронов и набор из более чем 400 генов воздействуют на сенсорные впечатления, которые мы ощущаем каждый день. До сих пор было известно, что каждая нервная клетка в данной ситуации всегда активирует только один выбранный ген, однако эта процедура кажется слишком простой для чтения и распознавания около миллиарда различных ощущений запаха.
Ученые из Института поведенческого мышления Мортимера Б. Цукермана при Колумбийском университете в Нью-Йорке внимательно изучили это явление. Результаты их исследований, проведенных на мышах, а не на людях, опубликованных только в журнале Nature, показывают нам очень эффективный механизм, стоящий за этим явлением.
Оказывается, что геном, реорганизуя себя в трехмерном пространстве, координирует регуляцию генов, которая происходит в нейронах. Так создается внутреннее биологическое разнообразие, которое дает возможность проявить все ощущения аромата, которые мы испытываем ежедневно и которые сопровождают нас в исключительных ситуациях.
- Исследования, которые мы провели, позволили нам точно определить генетический механизм, с помощью которого конечное число генов может распознавать почти бесконечное количество запахов, - объясняет доктор Ставрос Ломвардас, исследователь в Институте Цукермана.
Аромат, также называемый запахом, показывает необычайные способности, которыми обладает наш ум. Рецепторы носа должны определять специфические запахи, определять их интенсивность, сканировать всю нашу память, выяснять, появлялся ли этот или подобный запах, и, наконец, решить, является ли он приятным и обнадеживающим для нас, или же мы должны скорее рассматривать его как предупреждение.
Основой этого процесса являются нервные клетки, которые отправляют информацию из носа в мозг. Хотя каждый из этих нейронов имеет набор из всех 400 генов, связанных с запахом, в каждом активен только один ген.
Этот необычный паттерн генетической активности известен как принцип «один ген на нейрон» и был предметом нейробиологических исследований в течение некоторого времени. Однако до сих пор ответ на вопрос о том, как рецепторы нейронов с запахом активируют только один из родственных генов и как этот процесс в конечном итоге приводит к такому необычайно тонкому обонянию, оставался загадкой в течение многих лет. Доктор команды Ломвардас захотел решить эту загадку.
- У мышей гены, связанные с обонятельными рецепторами, разбросаны по всему геному, примерно в 60 разных местах, в разных, часто разнесенных, хромосомах, - объясняет доктор Кевин Монахан, исследователь, работающий в постдокторской лаборатории Ломвадреса и первый соавтор публикации. У мышей более 1000 генов, связанных с рецепторами запаха, более чем в два раза больше, чем у людей, что, вероятно, делает их обоняние таким совершенным.
В генетике обычно считается, что гены, расположенные на разных хромосомах, редко, если вообще когда-либо, взаимодействуют друг с другом. Новый метод, используемый в лаборатории Lomvadres, называемый «in situ Hi C», показывает, что взаимодействие между хромосомами происходит гораздо чаще, чем предполагалось ранее.
На месте Hi-C - это настоящая революция, прежде всего потому, что она позволяет нам создавать трехмерную карту всего генома в живой клетке, - говорит Адан Орта, второй крупный соавтор публикации. - Благодаря этому мы можем сделать снимок того, как выглядит геном в определенный момент времени.
«Снимки», сделанные исследователями, показывают, как группы генов обонятельного рецептора, расположенные в разных хромосомах, действительно перемещаются и встречаются до того, как будет выбран соответствующий ген запаха. Вскоре после того, как эти гены сближаются друг с другом, другая часть генетической головоломки - так называемые стимуляторы, регулирующие активность генов - накапливается в отдельном трехмерном разделе.
- Ранее мы обнаружили группу стимуляторов, расположенных рядом с различными генами обонятельных рецепторов. Мы назвали их греческими островами, - говорит доктор Орта. - Дальнейшие исследования показали, что эти стимуляторы являются источником активности, которая регулирует активность выбранного гена.
Как впоследствии определила команда из Института Цукермана, ключевую роль в этом процессе играет белок Ldb1, который связывает вместе «греческие острова» и позволяет им выбрать определенный ген, чтобы правильно интерпретировать возникающий запах. Именно этот набор симуляторов и генов дает обоняние. Это, по мнению исследователей, объясняет то, что мы так легко узнаем и запоминаем ароматы.