Geny, które rozpoznają bilion zapachów
Ludzki nos potrafi rozróżnić bilion różnych zapachów. Ta niezwykła sprawność możliwa jest dzięki 10 milionom komórek nerwowych znajdujących się w nosie i ponad 400 genom powiązanych z powonieniem. Naukowcy z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku opublikowali właśnie w „Nature” wyniki badań, które pokazują, w jaki sposób neurony i geny pracują na ten efekt.
Na wrażenia zmysłowe, które co dziennie odczuwamy, dosłownie, za pomocna naszego nosa, pracuje około 10 milionów neuronów i zespół ponad 400 genów. Wiadomo było dotąd, że każda komórka nerwowa w danej sytuacji aktywuje zawsze tylko jeden, wybrany gen. Taka procedura wydaje się jednak zbyt prosta, by możliwe było odczytanie i rozpoznanie około biliona (1012) różnych wrażeń zapachowych.
Uważnie temu zjawisku przyjrzeli się naukowcy z Instytutu Zuckermana (Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute) Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku. Wyniki ich badań – prowadzonych na myszach, a nie na ludziach – opublikowane właśnie w czasopiśmie „Nature”, odkrywają przed nami bardzo skuteczny mechanizm stojący za tym zjawiskiem. Okazuje się, że genom, przeorganizowując się w trójwymiarowej przestrzeni, sam koordynuje regulację genów, która zachodzi w neuronach. Właśnie w ten sposób powstaje wewnętrzna biologiczna różnorodność, która umożliwia pojawienie się tych wszystkich doznań zapachowych, których doświadczamy na codzień i które towarzyszą nam w wyjątkowych sytuacjach.
– Badania, które przeprowadziliśmy pozwoliły nam bardzo dokładnie określić genetyczny mechanizm, dzięki któremu skończona liczba genów jest w stanie doprowadzić do rozpoznania niemal nieskończonej liczby zapachów – wyjaśnia dr Stavros Lomvardas badacz na stanowisku principal investigator w Instytutcie Zuckermana, współautor publikacji.
Węch, zwany też powonieniem, pokazuje niezwykłe zdolności, jakimi dysponuje nasz umysł. Receptory znajdujące się w nosie muszą zidentyfikować konkretnych zapach, określić jego intensywność, przeskanować całą naszą pamięć, poszukując czy ten lub podobny zapach już się pojawił i w końcu zdecydować, czy jest to dla nas przyjemny i zachęcający, czy raczej powinniśmy go uznać za ostrzeżenie przed trucizną.
Podstawą tego procesu są komórki nerwowe, które przesyłają informacje z nosa do mózgu. Chociaż każdy z tych neuronów posiada zestaw wszystkich 400 genów powiązanych z powonieniem, to w każdym tylko jednen gen jest aktywny. Co ciekawe, to, który gen jest aktywny, wydaje się zupełnie przypadkowe. Ten nietypowy schemat genetycznej aktywności jest znany jako zasada „jednego genu na neuron” i jest przedmiotem badań neuronauki już od pewnego czasu. Jak dotąd jednak odpowiedź na pytanie w jaki sposób receptory neuronów powonienia aktywują tylko jeden z powiązanych genów i jak ten proces prowadzi ostatecznie do tak niezwykle subtelnego zmysłu węchu – przez lata pozostawała tajemnicą. Zespół dr. Lomvardasa podjął się rozwiązania tej zagadki.
– U myszy geny powiązane z receptorami węchu są rozrzucone po całym genomie, w około 60 różnych lokalizacjach, na różnych, często oddalonych od siebie chromosomach – wyjaśnia wstępnie dr Kevin Monahan, badacz pracujący w laboratorium Lomvadresa na stanowisku postdoktorskim i pierwszy współautor publikacji. – Myszy mają ponad 1000 genów powiązanych z receptorami powonienia, czyli ponad dwókrotnie więcej niż ludzie, co prawdopodobnie sprawia, że ich węch jest tak doskonały.
W genetyce uważa się zwykle, że geny położone na różnych chromosomach rzadko, jeśli w ogóle, odziaływują między sobą. Nowa metoda, zastosowana w laboratorium Lomvadresa, zwana „in situ Hi C”, pokazuje, że oddziaływanie między chromosomami zachodzi znacznie częściej, niż dotąd podejrzewano.
– In situ Hi-C to prawdziwa rewolucja, przede wszystkim dlatego, że pozwala nam stworzyć trójwymiarową mapę całego genomu wewnątrz żywej komórki – twierdzi Adan Horta, świeżo upieczony doktor i drugi z głównych współautorów publikacji. – Dzięki niej możemy uchwycić migawkę tego, jak wygląda genom w konkretnym momencie w czasie.
„Migawki”, które badacze wykonali, pokazują, jak grupy genów receptorów węchu ulokowane na różnych chromosomach faktycznie przemieszczają się i spotykają zanim wybrany zostanie odpowiedni gen powonienia. Wkrótce po tym, kiedy te geny zbliżą się do siebie, kolejny element genetycznej układanki – tak zwane stymulatory, które regulują aktywność genów – gromadzą się w oddzielnej trójwymiarowej przegrodzie.
– Odkryliśmy już wcześniej grupę stymulatorów, znajdujących się w pobliżu różnych genów receptorów węchu. Nazwaliśmy je Greckimi Wyspami – opowiada dalej dr Horta. – Dalsze badania pokazały, że te stymulatory są źrółdem aktywności, która reguluje działanie wybranego genu.
Jak następnie ustalił zespół z Instytutu Zuckermana, kluczową rolę w całym procesie odgrywa białko Ldb1, które spaja ze sobą „Greckie Wyspy” i umożliwia im wybór konkretnego genu, by ten odpowiednio zinterpretował pojawiający się zapach. To właśnie ten zespół symulatorów i genów przynosi zmysłowi powonienia tak wyraźne i różnorodne zarazem możliwości reakcji. To dopiero, zdaniem badaczy, wyjaśnia, jak to możliwe, że tak łatwo rozpoznajemy i zapamiętujemy zapachy.
Źródło badań: Kevin Monahan, Adan Horta & Stavros Lomvardas: LHX2- and LDB1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice, „Nature” 9 stycznia 2019.
Opracowano na podstawie artykułu (noty prasowej): Genes on the Move Help Nose Make Sense of Scents opublikowanego na stronie Uniwersytetu Columbia.
