Книга Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - Роб Десалл

4.2 Как найти мушек с измененными органами обоняния

Чтобы определить, есть ли у мушки мутация органов обоняния, используется очень простой критерий. Он основан на соотношении мушек, чувствительных к запахам, и контрольной группы, не различающей запахи. Как я уже говорил в основном тексте при описании эксперимента с Y-образной трубкой, мушкам дают возможность реагировать на определенный запах, а затем делают подсчет, основываясь на проявленной ими реакции. Если наблюдается какое-то отклонение от произвольного движения мушек (50 % с контрольной стороны и 50 % – к трубке с запахом), то мутировавшие особи подвергаются дальнейшему анализу с точки зрения восприятия запахов. Джон Карлсон с коллегами из Йельского университета в 1989 году создал хитрый аппарат для определения чувствительности мушек к запахам, использовав для него ненужные лабораторные предметы – например, небольшие пробирки и микродозаторы. Ученые обездвижили мушек-мутантов и исследовали орган, передающий запахи в мозг, – усики. Так они выделили шесть разновидностей мутировавших мушек и смогли соотнести их с изменениями функций усиков. А ведь вполне может быть, что всякий из нас, кто заходит в парфюмерный магазин, тут же становится подопытным в похожем эксперименте, который кто-то проводит над людьми. Шучу-шучу, это вряд ли. Вернемся лучше к мушкам. Дело в том, что открытие целого ряда мутантов позволило описать генетику обоняния у мутировавших особей крошечной плодовой мушки с измененными органами обоняния, что, в свою очередь, привело к более полному пониманию того, как работает запах. В частности, исследователи додумались, что поскольку пахучие вещества – это молекулы, то рецепторы выявляют именно их. И ведь это мушки-мутанты подтолкнули ученых-дрозофилистов к подобной догадке.

Линда Бак и Ричард Аксель изучали процессы обработки запахов у позвоночных животных на примере крыс. Они провели эпохальное исследование, в ходе которого выявили у млекопитающих большой и разнообразный набор генов рецепторов, воспринимающих запахи. В конечном итоге Бак и Аксель пришли к выводу, что молекулы одоранта взаимодействуют с рецепторами как ключи с замками. Если у рецептора есть правильный «замок» для подходящего «ключа» одоранта, то он вызывает дальнейшие реакции в клетке, которые передают в мозг по нейронной сети информацию о появлении данного запаха.

Биологам-дрозофилистам потребовалось совсем немного времени, чтобы присоединиться к Баку и Акселю, но у них было преимущество: секвенирование генома их любимого организма близилось к завершению на год или два раньше человеческого генома, и они смогли получить полное представление о составе рецепторов запаха у дрозофил и механизмах их работы. Ученые нашли по крайней мере шестьдесят один ген обонятельных рецепторов в геноме дрозофилы. Ни один из них не имеет достаточного сходства с генами одорантов позвоночных, поэтому и называть их аналогичным образом нельзя. По сути, гены обонятельных рецепторов дрозофилы демонстрируют крайнюю дивергенцию секвенирования с генами других насекомых, что указывает на быстрое изменение этих рецепторов в процессе эволюции. Структура белков, кодируемых этими генами, очень интересна: все они следуют общей схеме встраивания в мембрану органа, который улавливает запахи, в случае насекомых – в усики. Типичный белок обонятельного рецептора проходит через мембрану клеток органа, воспринимающего запах, с так называемыми трансмембранными доменами. Торчащая из клетки часть обонятельного рецептора специфически связывает соединения, которые затем запускают внутриклеточные реакции в клетках рецепторов, сигнализирующие мозгу о наличии определенного запаха. Шестьдесят один ген обонятельных рецепторов дрозофилы – это ничто по сравнению с более чем одной тысячью, обнаруженной у нематоды (круглого червя), и уж тем более по сравнению с примерно девятнадцатью сотнями у слона. Но способность организма воспринимать запахи сложно измерить подсчетом генов обонятельных рецепторов.

Первая сложность заключается в том, что не все гены в геноме организма экспрессируются. Ведь даже наличие последовательностей, которые обычно встречаются в гене определенного вида, не означает, что ген активен. Неактивные гены называются псевдогенами, как я уже отмечал ранее. Отсутствие экспрессии псевдогенов обычно вызвано появлением терминирующего кодона, или стоп-кодона, который делает ген усеченным и нефункциональным. Стоп-кодон – это сигнал для механизма трансляции белка клетки прекратить преобразование гена в белок. Диапазон количества генов обонятельных рецепторов у позвоночных животных впечатляет своим многообразием (см. рис. 4.1 и вставку 4.3).

4.3 Гены обонятельных рецепторов у животных

У человека примерно восемьсот генов обонятельных рецепторов, но только лишь половина из них активна. Почти у всех позвоночных общее количество псевдогенов и усеченных генов превосходит количество функционирующих или близко к нему приближается. Есть и другой фактор, влияющий на число генов: их можно приобрести или потерять в процессе эволюции. У шимпанзе и человека более 6 миллионов лет назад был общий предок. Он имел уникальную комбинацию генов, влияющих на обоняние, которую он передал как шимпанзе, так и человеку, но с небольшими изменениями. Например, в процессе передачи генов человек получил от общего предка восемнадцать рецепторов запахов и утратил восемьдесят девять, а шимпанзе заполучил восемь генов, лишившись девяносто пяти. Приблизительно такая же картина наблюдается и у других таксонов при передаче генов от общих предков к современной особи. И это указывает на то, что по мере расхождения видов их обонятельная способность настраивается за счет потери и приобретения генов, необходимых для обнаружения специфических запахов. Таким образом, приобретение и потеря обонятельных рецепторов играют важную роль в общей способности организма чувствовать запах.

Рис. 4.2. Гистограмма, показывающая количество работающих, псевдо- и усеченных генов обонятельных рецепторов у различных позвоночных

Вторая сложность в том, что даже шестьдесят один рецепторный белок дрозофилы может распознать множество запахов. Некоторые запахи можно определить довольно точно и при меньшем количестве рецепторов, ведь процесс обработки одорантов в мозге животного имеет комбинаторную природу. Один одорант может быть привязан не к одному рецептору, и, следовательно, нейрон получает несколько ответов от разных рецепторов. Кроме того, информация от нейронов с рецепторами сходится к локальным точкам обработки, которые называются гломерулами или клубочками. Там множественные сигналы могут объединяться, что позволяет точнее распознавать запах. Комбинаторный характер восприятия запаха означает, что с увеличением числа рецепторов способность воспринимать запахи также возрастает, но не линейно. Скорее увеличение потенциальных запахов растет экспоненциально по мере увеличения числа генов.

В дополнение к обонятельным рецепторам носовые проходы позвоночных содержат еще один вид белка, который работает в сочетании с ними. Эти белки называются рецепторами следовых аминов – TAAR (trace amine-associated receptors), и то, как они функционируют, ясно из названия: они обнаруживают следовые количества небольших молекул аминов. Эти рецепторы в различных комбинациях находятся на обонятельном органе позвоночных, повышая их способность чувствовать запахи. Реакция на эти комбинаторные сообщения, посылаемые в мозг, формирует поведение, необходимое для выживания организма. Линда Бак и ее коллеги показали, что, хотя некоторые реакции TAAR/обонятельных рецепторов в мозге являются врожденными и аверсивными, они могут быть модулированы другими сигналами обонятельных рецепторов в мозг. Это открытие интересно тем, что сортировка запахов осуществляется в мозге на основе информации от большого количества сигналов, поступающих через нос. Человек по сравнению с некоторыми насекомыми сильно проигрывает в способности обнаруживать следовые количества вещества (см. вставку 4.4). Пожалуй, самый известный нюхательный навык у животных – умение чувствовать феромоны и обрабатывать эту информацию. Особенно хорошо это делают чешуекрылые (моль и бабочки), способные распознать маленькие молекулы феромонов на большом расстоянии (до трех километров).