Впервые раскрыт секрет работы обонятельных рецепторов

Исследователи наконец увидели, как некоторые обонятельные рецепторы связываются с молекулами запаха. Работа дает новое понимание одного из самых загадочных и многогранных чувств. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Обоняние, а не зрение, является высшим чувством для большинства животных. Оно позволяет им находить пищу, избегать опасности и привлекать партнеров; оно доминирует над их восприятием и направляет их поведение; оно диктует, как они интерпретируют и реагируют на поток сенсорной информации вокруг них.

«То, как мы, биологические существа, взаимодействуем с химией мира, имеет огромное значение для понимания того, кто мы и как мы ориентируемся во Вселенной», — сказал Боб Датта, нейробиолог из Гарвардской медицинской школы.

Однако обоняние может быть наименее изученным из наших чувств, отчасти из-за сложности входных данных, с которыми оно должно считаться. То, что мы могли бы обозначить как один запах — запах кофе по утрам, мокрой травы после летней грозы, шампуня или духов — часто является смесью сотен типов химических веществ. Чтобы животное могло обнаружить и различить множество запахов, которые являются ключом к его выживанию, ограниченный репертуар рецепторов на его обонятельных сенсорных нейронах должен каким-то образом распознавать огромное количество соединений. Поэтому отдельный рецептор должен быть способен реагировать на множество разнообразных, на первый взгляд не связанных между собой молекул запаха.

Эта универсальность противоречит традиционной модели «замок и ключ», определяющей, как работают селективные химические взаимодействия. «В средней школе на уроках биологии я узнала именно это о лиганд-рецепторных взаимодействиях», — сказала Анника Барбер, молекулярный биолог из Ратгерского университета. «Что-то должно точно соответствовать сайту, а затем это меняет [атомное расположение белка], и тогда это работает».

Теперь новая работа сделала важный и долгожданный шаг вперед в выяснении начальных стадий обонятельного процесса. В препринте, опубликованном в сети в начале этого года, группа исследователей из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке представила первое молекулярное изображение обонятельного рецептора, связанного с молекулой запаха. «Это было мечтой в этой области» с тех пор, как 30 лет назад были обнаружены обонятельные рецепторы, сказал Ричард Бентон, биолог из Лозаннского университета в Швейцарии, который не принимал участия в новом исследовании.

«Это, несомненно, эпохальная работа», — сказал Датта. «Хотя мы уже давно имеем доступ к рецепторам как молекулам, никто никогда не видел собственными глазами, как это выглядит, когда запах связывается с рецептором».

Результат имеет большое значение для подтверждения того, как животные идентифицируют и различают астрономическое количество запахов. Он также проливает свет на ключевые принципы рецепторной активности, которые могут иметь далеко идущие последствия — для эволюции химического восприятия, для нашего понимания того, как работают другие неврологические системы и процессы, и для практических приложений, таких как разработка целевых лекарств и репеллентов от насекомых.

Несколько гипотез конкурировали за объяснение того, как обонятельные рецепторы достигают необходимой гибкости. Некоторые ученые предположили, что рецепторы реагируют на одну особенность молекул запаха, например, форму или размер; затем мозг может идентифицировать запах по некоторой комбинации этих входов. Другие исследователи утверждали, что каждый рецептор имеет несколько участков связывания, что позволяет различным типам соединений стыковаться. Но чтобы выяснить, какая из этих идей верна, им нужно было увидеть фактическую структуру рецептора.

Группа ученых из Рокфеллеровского университета обратилась к изучению рецепторных взаимодействий у прыгающего щетинохвоста — древнего наземного насекомого, имеющего особенно простую обонятельную рецепторную систему.

У насекомых обонятельные рецепторы представляют собой ионные каналы, которые активируются, когда молекула запаха связывается с ними. Они могут быть самым большим и самым разнородным семейством ионных каналов в природе, с миллионами вариантов среди видов насекомых в мире. И поэтому они должны тщательно балансировать между общностью и специфичностью, оставаясь достаточно гибкими, чтобы обнаруживать огромное количество потенциальных запахов, и в то же время достаточно избирательными, чтобы надежно распознавать важные из них, которые могут значительно отличаться от одного вида или среды к другому.

Какой механизм позволил им пройти эту тонкую грань и эволюционировать таким образом? «Это сумасшедшая система, о которой стоит подумать», — сказала Ванесса Рута, нейробиолог из Рокфеллеровского университета, которая руководила исследованием, представленным в недавнем препринте. «Поэтому мы поняли, что лучшим способом получить представление об этой проблеме, вероятно, будут структурные методы».

Традиционные методы определения трехмерной молекулярной структуры белков не работают хорошо на обонятельных рецепторах, которые имеют тенденцию неправильно складываться, вести себя ненормально или становиться трудноразличимыми в условиях, которые требуются для этих анализов. Но недавние технологические достижения, в частности, метод визуализации, называемый криоэлектронной микроскопией, позволили Руте и ее коллегам попытаться.

Они рассмотрели структуру обонятельного рецептора прыгающего щетинкохвоста в трех различных конфигурациях: сам по себе и связанный либо с общей молекулой запаха, называемой эвгенол (которая пахнет как гвоздика для людей), либо с репеллентом от насекомых ДЭТА. Затем они сравнили эти структуры, вплоть до их отдельных атомов, чтобы понять, как связывание запаха открывает ионный канал, и как один рецептор может обнаруживать химикаты самых разных форм и размеров.

«На самом деле это очень красиво», — сказала Рута.

Исследователи обнаружили, что хотя у ДЭТА и эвгенола не так много общего как у молекул, они оба пристыковались к одному и тому же месту внутри рецептора. Это оказался глубокий, геометрически простой карман, выстланный множеством аминокислот, которые способствуют свободным, слабым взаимодействиям; эвгенол и ДЭТА воспользовались различными взаимодействиями, чтобы поселиться внутри него. Дальнейшее компьютерное моделирование показало, что каждая молекула способна связываться во многих различных ориентациях — и что многие другие виды пахучих соединений, хотя и не все, могут связываться с рецептором аналогичным образом. Это был не механизм «замок и ключ», а подход «один размер подходит многим».

Рецептор «выполняет более целостное распознавание молекулы, а не просто обнаруживает какую-то конкретную структурную особенность», — сказал Рута. «Это просто совсем другая химическая логика».

Когда Рута и ее команда внесли изменения в карман рецептора, они обнаружили, что мутации даже одной аминокислоты было достаточно, чтобы изменить его связывающие свойства. А этого, в свою очередь, было достаточно, чтобы повлиять на взаимодействие рецептора со многими соединениями, полностью перенастроив то, на что рецептор реагировал.

Например, расширение кармана увеличило его сродство к ДЭТА, более крупной молекуле, при этом уменьшив его сродство к эвгенолу, который, возможно, не смог бы прилегать так плотно из-за своего меньшего размера. Такие изменения также имели бы множество эффектов в нисходящем направлении на более широкую палитру рецептора, обнаруживающую запахи, которую исследователи не были настроены идентифицировать.

Наблюдения команды могут объяснить, как обонятельные рецепторы насекомых могут так быстро развиваться и так сильно расходиться между видами. Каждый вид насекомых мог развить «свой уникальный набор рецепторов, которые действительно хорошо подходят для его конкретной химической ниши», — сказал Рута.

«Это говорит нам, что происходит нечто большее, чем просто идея о том, что рецепторы слабо взаимодействуют с кучей лигандов», — сказал Датта. Рецептор, построенный вокруг одного связывающего кармана, с профилем ответа, который можно перенастроить с помощью самых незначительных изменений, может ускорить эволюцию, освободив ее для исследования широкого спектра химических репертуаров.

Архитектура рецептора также поддерживала эту точку зрения. Рута и ее коллеги обнаружили, что он состоял из четырех белковых субъединиц, свободно связанных в центральной поре канала, подобно лепесткам цветка. Только центральная область должна была быть сохранена, поскольку рецептор диверсифицировался и развивался; генетические последовательности, управляющие остальными единицами рецептора, были менее ограниченными. Такая структурная организация означала, что рецептор мог приспособиться к широкой степени диверсификации.

Такие легкие эволюционные ограничения на уровне рецепторов, вероятно, оказывают существенное селективное давление на нейронные цепи для обоняния: нервным системам нужны хорошие механизмы для расшифровки запутанных схем активности рецепторов. «По сути, обонятельные системы эволюционировали, чтобы брать произвольные схемы активации рецепторов и наделять их смыслом посредством обучения и опыта», — сказал Рута.

Однако, что интересно, нервные системы, похоже, не облегчают себе задачу. Ученые широко предполагали, что все рецепторы на отдельном обонятельном нейроне принадлежат к одному классу, и что нейроны для разных классов отправляются в отдельные обрабатывающие области мозга. Однако в паре препринтов, опубликованных в ноябре прошлого года, исследователи сообщили, что и у мух, и у комаров отдельные обонятельные нейроны экспрессируют несколько классов рецепторов. «Что действительно удивительно и еще больше увеличило бы разнообразие сенсорного восприятия», — сказал Барбер.

Результаты работы команды Руты — далеко не последнее слово в том, как работают обонятельные рецепторы. Насекомые используют множество других классов обонятельных рецепторов ионных каналов, включая те, которые намного сложнее и специфичнее, чем у прыгающего щетинохвоста. У млекопитающих обонятельный рецептор даже не является ионным каналом; он принадлежит к совершенно другому семейству белков.

«Это первая структура распознавания запахов в любом рецепторе любого вида. Но это, вероятно, не единственный механизм распознавания запахов», — сказал Рута. «Это всего лишь одно из решений проблемы. Было бы очень маловероятно, что это единственное решение».

Тем не менее, она и другие исследователи считают, что есть еще много общих уроков, которые можно извлечь из обонятельного рецептора прыгающего щетинохвоста. Например, заманчиво представить, как этот механизм может применяться к другим рецепторам в мозге животных — от тех, которые обнаруживают нейромодуляторы, такие как дофамин, до тех, на которые влияют различные виды анестетиков — «и насколько неточными им «позволено» быть», — сказал Барбер. «Это предлагает увлекательную модель для продолжения изучения неспецифических связывающих взаимодействий».

Возможно, этот подход с гибким связыванием следует рассматривать и в других контекстах, добавила она. Например, исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences в марте, предполагает, что даже канонические рецепторы ионных каналов типа «замок и ключ» могут быть не такими строго селективными, как думали ученые.

Если множество различных видов белков связываются с рецепторами посредством гибких, слабых взаимодействий в пределах некоторого типа кармана, этот принцип может служить руководством для рационального проектирования лекарств от различных заболеваний, особенно неврологических. По крайней мере, работа Руты по связыванию ДЭТА с обонятельным рецептором насекомого может дать представление о том, как разрабатывать целевые репелленты. «Комар по-прежнему является самым смертоносным животным на Земле» из-за болезней, которые он переносит, сказал Рута.

Ее выводы на самом деле проясняют более чем полувековой спор о том, как работает ДЭТА. ДЭТА является одним из самых эффективных средств от насекомых, но ученые не поняли, почему — например, плохо ли он пахнет для насекомых или ухудшает ли он их обонятельную сигнализацию. Работа Руты и ее коллег выдвигает другую теорию: ДЭТА сбивает насекомых с толку, активируя множество различных рецепторов и переполняя их обонятельную систему бессмысленными сигналами.

«Тайна химического распознавания — это то, о чем мы теперь можем думать через структурную линзу», — сказала Рута. «Структурная биология в лучшем случае прекрасна и проясняет и обладает удивительной объяснительной силой. Моя лаборатория много работает в области клеточной и системной нейронауки, и очень немногие эксперименты обладают такой объяснительной силой, как структура».

Датта согласился с подходом структурной биологии. «Я думаю, что это действительно предвестник грядущих событий», — сказал он. «Это похоже на будущее».

Обновление: 4 августа 2021 г.
Статья Руты и ее коллег, описывающая структуру связывания обонятельного рецептора с молекулой пахучего вещества, была впоследствии опубликована в журнале Nature в этот же день.

Источник: www.quantamagazine.org