Αποκαλύφθηκαν για πρώτη φορά οι μυστικές εργασίες των υποδοχέων μυρωδιάς

Η όσφρηση και όχι η όραση κυριαρχεί ως η υπέρτατη αίσθηση για τα περισσότερα ζώα. Τους επιτρέπει να βρίσκουν τροφή, να αποφεύγουν τον κίνδυνο και να προσελκύουν συντρόφους. κυριαρχεί στις αντιλήψεις τους και καθοδηγεί τη συμπεριφορά τους. υπαγορεύει πώς ερμηνεύουν και ανταποκρίνονται στον κατακλυσμό των αισθητηριακών πληροφοριών γύρω τους.

«Το πώς ως βιολογικά πλάσματα αλληλεπιδρούμε με τη χημεία στον κόσμο είναι πολύ σημαντικό για να κατανοήσουμε ποιοι είμαστε και πώς πλοηγούμαστε στο σύμπαν», δήλωσε ο Μπομπ Ντάτα, νευροβιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ.

Ωστόσο, η όσφρηση μπορεί επίσης να είναι το λιγότερο κατανοητό από τις αισθήσεις μας, εν μέρει λόγω της πολυπλοκότητας των εισροών που πρέπει να υπολογίζει. Αυτό που θα μπορούσαμε να χαρακτηρίσουμε ως μια μοναδική μυρωδιά - η μυρωδιά του καφέ το πρωί, του βρεγμένου γρασιδιού μετά από μια καλοκαιρινή καταιγίδα, του σαμπουάν ή του αρώματος - είναι συχνά ένα μείγμα εκατοντάδων τύπων χημικών ουσιών. Για να ανιχνεύσει ένα ζώο και να διακρίνει τις πολλές μυρωδιές που είναι το κλειδί για την επιβίωσή του, το περιορισμένο ρεπερτόριο των υποδοχέων στους οσφρητικούς αισθητήριους νευρώνες του πρέπει με κάποιο τρόπο να αναγνωρίσει έναν τεράστιο αριθμό ενώσεων. Επομένως, ένας μεμονωμένος υποδοχέας πρέπει να είναι σε θέση να ανταποκρίνεται σε πολλά διαφορετικά, φαινομενικά άσχετα μόρια οσμής.

Αυτή η ευελιξία έρχεται σε αντίθεση με το παραδοσιακό μοντέλο κλειδώματος και κλειδιού που διέπει τον τρόπο με τον οποίο τείνουν να λειτουργούν οι επιλεκτικές χημικές αλληλεπιδράσεις. «Στη βιολογία του γυμνασίου, αυτό έμαθα για τις αλληλεπιδράσεις συνδέτη-υποδοχέα», είπε η Annika Barber, μοριακή βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Rutgers. "Κάτι πρέπει να ταιριάζει ακριβώς σε μια τοποθεσία, και μετά αλλάζει την [την ατομική διάταξη της πρωτεΐνης] και μετά λειτουργεί."

Τώρα, η νέα εργασία έχει κάνει ένα κρίσιμο και πολυαναμενόμενο βήμα προς τα εμπρός για την αποσαφήνιση των αρχικών σταδίων της οσφρητικής διαδικασίας. Σε μια προεκτύπωση που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο νωρίτερα φέτος, μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Ροκφέλερ στη Νέα Υόρκη παρείχε την πρώτη μοριακή άποψη ενός οσφρητικού υποδοχέα καθώς δεσμεύτηκε σε ένα μόριο οσμής. "Αυτό ήταν ένα όνειρο στο πεδίο" από τότε που ανακαλύφθηκαν οι οσφρητικοί υποδοχείς πριν από 30 χρόνια, δήλωσε ο Richard Benton, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Λωζάνης στην Ελβετία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη.

«Είναι αναμφισβήτητα ένα έγγραφο ορόσημο», είπε η Ντάτα. "Αν και είχαμε πρόσβαση σε υποδοχείς ως μόρια για μεγάλο χρονικό διάστημα, κανείς δεν έχει δει ποτέ πραγματικά με τα μάτια του πώς μοιάζει όταν μια μυρωδιά συνδέεται με έναν υποδοχέα."

Το αποτέλεσμα πηγαίνει πολύ προς την επιβεβαίωση του τρόπου με τον οποίο τα ζώα αναγνωρίζουν και διακρίνουν τους αστρονομικούς αριθμούς μυρωδιών. Ρίχνει επίσης φως σε βασικές αρχές της δραστηριότητας των υποδοχέων που μπορεί να έχουν εκτεταμένες επιπτώσεις - για την εξέλιξη της χημικής αντίληψης, για την κατανόησή μας για το πώς λειτουργούν άλλα νευρολογικά συστήματα και διεργασίες και για πρακτικές εφαρμογές όπως η ανάπτυξη στοχευμένων φαρμάκων και εντομοαπωθητικών .

Αρκετές υποθέσεις έχουν συναγωνιστεί για να εξηγήσουν πώς οι οσφρητικοί υποδοχείς επιτυγχάνουν την απαραίτητη ευελιξία. Μερικοί επιστήμονες πρότειναν ότι οι υποδοχείς ανταποκρίνονται σε ένα μοναδικό χαρακτηριστικό των μορίων της οσμής, όπως το σχήμα ή το μέγεθος. ο εγκέφαλος μπορεί στη συνέχεια να αναγνωρίσει μια οσμή από κάποιο συνδυασμό αυτών των εισροών. Άλλοι ερευνητές υπέθεσαν ότι κάθε υποδοχέας έχει πολλαπλές θέσεις δέσμευσης, επιτρέποντας σε διαφορετικά είδη ενώσεων να συνδεθούν. Αλλά για να καταλάβουν ποια από αυτές τις ιδέες ήταν σωστή, έπρεπε να δουν την πραγματική δομή του υποδοχέα.

Η ομάδα Ροκφέλερ στράφηκε στις αλληλεπιδράσεις των υποδοχέων στην ουρά που πηδούσε, ένα προγονικό έντομο που κατοικεί στο έδαφος και έχει ένα ιδιαίτερα απλό σύστημα οσφρητικού υποδοχέα.

Στα έντομα, οι οσφρητικοί υποδοχείς είναι δίαυλοι ιόντων που ενεργοποιούνται όταν ένα μόριο οσμής δεσμεύεται σε αυτά. Μπορεί να είναι η μεγαλύτερη και πιο αποκλίνουσα οικογένεια διαύλων ιόντων στη φύση, με εκατομμύρια παραλλαγές σε όλα τα είδη εντόμων στον κόσμο. Επομένως, πρέπει να εξισορροπούν προσεκτικά τη γενικότητα με την ιδιαιτερότητα, παραμένοντας αρκετά ευέλικτοι ώστε να ανιχνεύουν έναν τεράστιο αριθμό πιθανών οσμών, ενώ είναι αρκετά επιλεκτικοί ώστε να αναγνωρίζουν αξιόπιστα τις σημαντικές, οι οποίες θα μπορούσαν να διαφέρουν σημαντικά από το ένα είδος ή περιβάλλον στο άλλο.

Ποιος ήταν ο μηχανισμός που τους επέτρεψε να πλοηγηθούν σε αυτή τη λεπτή γραμμή και να εξελιχθούν με αυτόν τον τρόπο; «Είναι ένα τρελό σύστημα που πρέπει να σκεφτείς», είπε η Βανέσα Ρούτα, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Ροκφέλερ που ηγήθηκε της έρευνας που αναφέρθηκε στην πρόσφατη προεκτύπωση. "Έτσι συνειδητοποιήσαμε ότι ο καλύτερος τρόπος για να αποκτήσουμε μια εικόνα για αυτό το πρόβλημα θα ήταν πιθανώς μέσω δομικών μεθόδων."

Οι παραδοσιακές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της τρισδιάστατης μοριακής δομής των πρωτεϊνών δεν λειτουργούν καλά σε οσφρητικούς υποδοχείς, οι οποίοι τείνουν να αναδιπλώνονται, να συμπεριφέρονται ασυνήθιστα ή να είναι δύσκολο να διακριθούν υπό τις συνθήκες που απαιτούν αυτές οι αναλύσεις. Ωστόσο, οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις, κυρίως μια τεχνική απεικόνισης που ονομάζεται κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία, επέτρεψαν στη Ruta και τους συναδέλφους της να προσπαθήσουν.

Εξέτασαν τη δομή ενός οσφρητικού υποδοχέα με άλματα τριχών σε τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις:από μόνος του και συνδεδεμένο είτε με ένα κοινό μόριο μυρωδιάς που ονομάζεται ευγενόλη (που μυρίζει σαν γαρύφαλλο στους ανθρώπους) είτε με το εντομοαπωθητικό DEET. Στη συνέχεια συνέκριναν αυτές τις δομές, με τα μεμονωμένα άτομα τους, για να καταλάβουν πώς η δέσμευση οσμών άνοιξε το κανάλι ιόντων και πώς ένας μόνο υποδοχέας θα μπορούσε να ανιχνεύσει χημικές ουσίες πολύ διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών.

«Είναι πραγματικά πολύ όμορφο», είπε η Ρούτα.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι παρόλο που το DEET και η ευγενόλη δεν έχουν πολλά κοινά ως μόρια, και τα δύο αγκυροβόλησαν στην ίδια θέση μέσα στον υποδοχέα. Αποδείχθηκε ότι ήταν μια βαθιά, γεωμετρικά απλή τσέπη, επενδεδυμένη με πολλά αμινοξέα που διευκολύνουν χαλαρές, αδύναμες αλληλεπιδράσεις. Η ευγενόλη και η DEET εκμεταλλεύτηκαν διαφορετικές αλληλεπιδράσεις για να εγκατασταθούν σε αυτήν. Περαιτέρω υπολογιστική μοντελοποίηση έδειξε ότι κάθε μόριο ήταν σε θέση να δεσμεύεται σε πολλούς διαφορετικούς προσανατολισμούς - και ότι πολλά άλλα είδη ενώσεων οσμής, αν και όχι όλα, μπορούσαν να συνδεθούν με τον υποδοχέα με παρόμοιο τρόπο. Αυτό δεν ήταν μηχανισμός κλειδώματος με κλειδί, αλλά μια προσέγγιση που ταιριάζει σε πολλούς.

Ο υποδοχέας «κάνει μια πιο ολιστική αναγνώριση του μορίου, σε αντίθεση με την απλή ανίχνευση οποιουδήποτε συγκεκριμένου δομικού χαρακτηριστικού», είπε ο Ruta. "Είναι απλώς μια πολύ διαφορετική χημική λογική."

Όταν η Ruta και η ομάδα της εισήγαγαν αλλαγές στην τσέπη του υποδοχέα, διαπίστωσαν ότι οι μεταλλάξεις ακόμη και ενός μόνο αμινοξέος ήταν αρκετές για να αλλάξουν τις δεσμευτικές του ιδιότητες. Και αυτό, με τη σειρά του, ήταν αρκετό για να επηρεάσει τις αλληλεπιδράσεις του υποδοχέα με πολλές ενώσεις, αναδιαμορφώνοντας πλήρως το τι ανταποκρίθηκε ο υποδοχέας.

Η διεύρυνση του θύλακα, για παράδειγμα, αύξησε τη συγγένειά του για το DEET, ένα μεγαλύτερο μόριο, ενώ μείωσε τη συγγένειά του για την ευγενόλη, η οποία μπορεί να μην μπορούσε να χωρέσει τόσο άνετα λόγω του μικρότερου μεγέθους της. Τέτοιες αλλαγές θα είχαν πολλές επακόλουθες επιπτώσεις στην ευρύτερη παλέτα ανίχνευσης οσμών του υποδοχέα, επίσης, την οποία οι ερευνητές δεν είχαν ρυθμιστεί για να αναγνωρίσουν.

Οι παρατηρήσεις της ομάδας μπορεί να εξηγήσουν πώς οι υποδοχείς της όσφρησης των εντόμων μπορούν γενικά να εξελιχθούν τόσο γρήγορα και να αποκλίνουν τόσο πολύ μεταξύ των ειδών. Κάθε είδος εντόμου μπορεί να έχει εξελίξει «το μοναδικό του ρεπερτόριο υποδοχέων που είναι πραγματικά κατάλληλοι για τη συγκεκριμένη χημική του θέση», είπε η Ruta.

«Μας λέει ότι συμβαίνουν περισσότερα από την ιδέα ότι οι υποδοχείς αλληλεπιδρούν χαλαρά με ένα σωρό συνδέτες», είπε ο Ντάτα. Ένας υποδοχέας χτισμένος γύρω από μια ενιαία θήκη σύνδεσης, με προφίλ απόκρισης που μπορεί να ρυθμιστεί εκ νέου με τις μικρότερες αλλαγές, θα μπορούσε να επιταχύνει την εξέλιξη ελευθερώνοντάς τον να εξερευνήσει ένα ευρύ φάσμα χημικών ρεπερτορίων.

Η αρχιτεκτονική του υποδοχέα υποστήριξε επίσης αυτή την άποψη. Η Ruta και οι συνεργάτες της διαπίστωσαν ότι αποτελούνταν από τέσσερις υπομονάδες πρωτεΐνης χαλαρά συνδεδεμένες στον κεντρικό πόρο του καναλιού, όπως τα πέταλα ενός λουλουδιού. Μόνο η κεντρική περιοχή χρειαζόταν να διατηρηθεί καθώς ο υποδοχέας διαφοροποιήθηκε και εξελισσόταν. Οι γενετικές αλληλουχίες που διέπουν τις υπόλοιπες μονάδες υποδοχέα ήταν λιγότερο περιορισμένες. Αυτή η δομική οργάνωση σήμαινε ότι ο υποδοχέας μπορούσε να φιλοξενήσει μεγάλο βαθμό διαφοροποίησης.

Τέτοιοι ελαφροί εξελικτικοί περιορισμοί σε επίπεδο υποδοχέα πιθανώς επιβάλλουν ουσιαστική επιλεκτική πίεση προς τα κάτω στα νευρικά κυκλώματα για την όσφρηση:Τα νευρικά συστήματα χρειάζονται καλούς μηχανισμούς για την αποκωδικοποίηση των ακατάστατων μοτίβων της δραστηριότητας των υποδοχέων. "Ουσιαστικά, τα οσφρητικά συστήματα έχουν εξελιχθεί για να λαμβάνουν αυθαίρετα μοτίβα ενεργοποίησης των υποδοχέων και να τους προσδίδουν νόημα μέσω της μάθησης και της εμπειρίας", είπε η Ruta.

Περιέργως, όμως, τα νευρικά συστήματα δεν φαίνεται να κάνουν το πρόβλημα ευκολότερο για τον εαυτό τους. Οι επιστήμονες είχαν ευρέως υποθέσει ότι όλοι οι υποδοχείς σε έναν μεμονωμένο οσφρητικό νευρώνα ήταν της ίδιας κατηγορίας και ότι οι νευρώνες για διαφορετικές τάξεις πήγαιναν σε διαχωρισμένες περιοχές επεξεργασίας του εγκεφάλου. Σε ένα ζευγάρι προεκτυπώσεων που δημοσιεύτηκαν τον περασμένο Νοέμβριο, ωστόσο, οι ερευνητές ανέφεραν ότι τόσο στις μύγες όσο και στα κουνούπια, μεμονωμένοι οσφρητικοί νευρώνες εκφράζουν πολλαπλές κατηγορίες υποδοχέων. "Πράγμα που είναι πραγματικά εκπληκτικό και θα αύξανε ακόμη περισσότερο την ποικιλομορφία της αισθητηριακής αντίληψης", είπε ο Barber.

Τα ευρήματα από την ομάδα της Ruta απέχουν πολύ από την τελευταία λέξη για τον τρόπο λειτουργίας των οσφρητικών υποδοχέων. Τα έντομα χρησιμοποιούν πολλές άλλες κατηγορίες οσφρητικών υποδοχέων διαύλων ιόντων, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι πολύ πιο περίπλοκοι και πολύ πιο συγκεκριμένοι από αυτούς της ουράς που πηδάει. Στα θηλαστικά, ο οσφρητικός υποδοχέας δεν είναι καν κανάλι ιόντων. ανήκει σε μια εντελώς διαφορετική οικογένεια πρωτεϊνών.

«Αυτή είναι η πρώτη δομή αναγνώρισης οσμών σε οποιονδήποτε υποδοχέα από οποιοδήποτε είδος. Αλλά μάλλον δεν είναι ο μόνος μηχανισμός αναγνώρισης οσμών», είπε η Ruta. «Αυτή είναι μόνο μια λύση στο πρόβλημα. Θα ήταν πολύ απίθανο να είναι η μόνη λύση.»

Ακόμα κι έτσι, αυτή και άλλοι ερευνητές πιστεύουν ότι υπάρχουν πολλά πιο γενικά μαθήματα που πρέπει να μάθουμε από τον οσφρητικό υποδοχέα της τραχιάς. Είναι δελεαστικό, για παράδειγμα, να φανταστεί κανείς πώς μπορεί να εφαρμοστεί αυτός ο μηχανισμός σε άλλους υποδοχείς στον εγκέφαλο ζώων - από αυτούς που ανιχνεύουν νευροδιαμορφωτές όπως η ντοπαμίνη μέχρι εκείνους που επηρεάζονται από διάφορα είδη αναισθητικών - «και πόσο ανακριβείς «επιτρέπονται» να είναι», είπε ο Μπάρμπερ. "Προσφέρει ένα συναρπαστικό μοντέλο για τη συνέχιση της εξερεύνησης μη ειδικών δεσμευτικών αλληλεπιδράσεων."

Ίσως αυτή η ευέλικτη δεσμευτική προσέγγιση θα πρέπει να εξεταστεί και σε άλλα πλαίσια, πρόσθεσε. Έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences τον Μάρτιο, για παράδειγμα, πρότεινε ότι ακόμη και οι κανονικοί υποδοχείς καναλιών ιόντων κλειδώματος και κλειδιού μπορεί να μην είναι τόσο αυστηρά επιλεκτικοί όσο νόμιζαν οι επιστήμονες.

Εάν πολλά διαφορετικά είδη πρωτεϊνών συνδέονται με υποδοχείς μέσω ευέλικτων, αδύναμων αλληλεπιδράσεων μέσα σε κάποιο είδος θύλακα, αυτή η αρχή θα μπορούσε να καθοδηγήσει τον ορθολογικό σχεδιασμό φαρμάκων για διάφορες ασθένειες, ιδιαίτερα νευρολογικές καταστάσεις. Τουλάχιστον, η εργασία της Ruta σχετικά με τη δέσμευση του DEET σε έναν οσφρητικό υποδοχέα εντόμων θα μπορούσε να παρέχει πληροφορίες για το πώς να αναπτυχθούν στοχευμένα απωθητικά. "Το κουνούπι εξακολουθεί να είναι το πιο θανατηφόρο ζώο στη Γη" λόγω των ασθενειών που μεταφέρει, είπε η Ruta.

Τα ευρήματά της στην πραγματικότητα διευκρινίζουν μια συζήτηση εδώ και μισό αιώνα για το πώς λειτουργεί το DEET. Το DEET είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά εντομοαπωθητικά, αλλά οι επιστήμονες δεν έχουν καταλάβει γιατί - αν μυρίζει άσχημα στα έντομα, για παράδειγμα, ή αν βλάπτει την οσφρητική τους σηματοδότηση. Η εργασία της Ruta και των συναδέλφων της αναδεικνύει μια διαφορετική θεωρία:ότι το DEET συγχέει τα έντομα ενεργοποιώντας πολλούς διαφορετικούς υποδοχείς και πλημμυρίζοντας το οσφρητικό τους σύστημα με ανούσια σήματα.

«Το μυστήριο της χημικής αναγνώρισης είναι κάτι που τώρα έχουμε έναν δομικό φακό να σκεφτούμε», είπε η Ρούτα. «Η δομική βιολογία, στα καλύτερά της, είναι όμορφη και διευκρινιστική και έχει εκπληκτική επεξηγηματική δύναμη. Το εργαστήριό μου κάνει πολλή δουλειά σε περισσότερες κυτταρικές και νευροεπιστήμες συστημάτων και πολύ λίγα πειράματα έχουν τόση επεξηγηματική δύναμη όσο μια δομή."

Η Ντάτα συμφώνησε σχετικά με την προσέγγιση της δομικής βιολογίας. «Νομίζω ότι είναι πραγματικά ένας προάγγελος για τα πράγματα που θα ακολουθήσουν», είπε. "Αισθάνεται σαν το μέλλον."

Ενημέρωση:4 Αυγούστου 2021
Η εργασία της Ruta και των συναδέλφων της που περιέγραψε τη δομή ενός οσφρητικού υποδοχέα που συνδέεται με ένα μόριο οσμής δημοσιεύθηκε στη συνέχεια στο Nature αυτήν την ημερομηνία.