Более 25 лет исследований в области нейробиологии позволили нам понять, что существует однозначное соответствие между отдельными запахами, обнаруживаемыми обонятельным сенсорным нейроном, и химическим рецептором, который он выражает. Эта запатентованная связь объясняет, как различная информация об запахах передается по параллельным сенсорным путям в мозг, и позволяет мозгу идентифицировать и различать различные запахи в мире.
Это понимание включало механизм, лежащий в основе этого соответствия: активность семи трансмембранных рецепторов, связанных с G-белком (GPCR) в сенсорных нейронах.
Как следует из названия, эти хеморецепторы покрывают клеточную мембрану семь раз. Они являются источником биохимического сигнального каскада внутри нейрона, который достигает мозга, чтобы сказать «апельсин» или «роза» или любой другой запах, который можно обнаружить.
Или, по крайней мере, так казалось.
Ученые Гарвардской медицинской школы открыли новый и отличный способ ощущения запахов в так называемом «обонятельном ожерелье», подсистеме сенсорных нейронов, аксоны которых окружают обонятельную луковицу, что они исследовали на мышах.
Обнаруженный ими новый класс хеморецепторов определяет альтернативный механизм обнаружения запаха и новую логику обоняния млекопитающих, которая имеет больше общего со вкусом, чем с запахом.
Их выводы, сделанные командой под руководством Сандипа Датта, доцента кафедры нейробиологии HMS, опубликованы 26 мая в Cell.
«Мы нашли совершенно другой способ обнаружения запахов и семейство рецепторов, которые ранее не были охарактеризованы», – сказал Пол Грир, научный сотрудник HMS в области нейробиологии и соавтор статьи.
Рецепторы ожерелья охватывают мембрану нейрона четыре раза, а не семь.
И вместо того, чтобы каждый сенсорный нейрон в ожерелье экспрессировал только один рецептор, каждый нейрон в ожерелье экспрессирует целое семейство рецепторов, переворачивая догму об одном рецепторе на нейрон.
«Мы думаем, что эта новая обонятельная система настроена таким образом, что она предупреждает мозг о наличии определенного класса химических стимулов, а не дает точный образец, как остальная часть обонятельной системы», – сказал Дэниел Беар, аспирант в Гарвардская программа по нейробиологии и соавтор статьи.
Какие типы запахов могут быть настолько важными, чтобы вызывать систему оповещения?
Исследователи HMS уже знали, что клетки обонятельного ожерелья имеют рецепторы, которые обнаруживают углекислый газ, естественный отталкивающий стимул для мышей.
Они задавались вопросом, развились ли такие врожденные детекторы для стимулирования важных действий, таких как избегание угроз?.
Эта система обонятельного оповещения, кажется, имеет древнее происхождение, но по-прежнему имеет ценность для животных.
Вместо того, чтобы различать запахи, эти рецепторы ожерелья могут улавливать различные запахи, которые вызывают определенные врожденные привычки.
По словам Датты, для обнаружения этих рецепторов потребовалась «рыбалка без крючка»."
Ученые искали обонятельные рецепторы ожерелья с помощью генетических тестов, которые идентифицировали молекулы, которые могли быть хеморецепторами. Удивительно, но они не нашли GPCR.
Без этого крючка, который использовался для обнаружения всех известных в настоящее время рецепторов запахов у млекопитающих, они вместо этого искали белки, которые охватывают мембрану, выходя из клетки для обнаружения запахов и внутрь клетки, чтобы передать сообщение, которое будет служить сигналом для мозг. Кроме того, они предположили, что хеморецепторы ожерелья будут кодироваться генами, которые быстро эволюционировали.
Когда исследователи обнаружили вероятных кандидатов в хеморецепторы, они протестировали их, чтобы увидеть, могут ли они обнаружить различные химические вещества. К их удивлению, мышиные феромоны и длинноцепочечные ненасыщенные жирные кислоты – основной ингредиент семян подсолнечника, орехов и других продуктов питания мышей – вызвали наиболее устойчивую реакцию.
«Я думаю, что обнаруженные нами пахучие лиганды представляют некоторые из особенностей, которые эти рецепторы эволюционировали, чтобы обнаруживать», – сказал Медведь. "Мы не знаем наверняка, каковы биологически релевантные источники этих молекул, но это одна из вещей, которые нам интересно выяснить сейчас."
Датта сказал, что остается неизвестным, является ли обнаруженная ими система универсальным детектором химических сигналов; то есть он обнаруживает сигналы внутри и снаружи тела. Он также заинтересован в понимании того, как мозг интерпретирует информацию, поступающую к нему из системы обонятельного ожерелья.
«Эта система нарушает логику, используемую остальной частью обонятельной системы, поэтому мозг должен делать что-то особенное с информацией», – сказал он. "Мы не знаем, что это такое, но мы очень рады заглянуть в мозг и понять это."
Поскольку это семейство рецепторов также присутствует у людей, эта работа предполагает, что недавно идентифицированные рецепторы могут опосредовать химическую коммуникацию между людьми и окружающей средой, что является интригующей возможностью, которая также исследуется.