Обонятельные нейроны адаптируются к окружающей среде
Обонятельные рецепторы, расположенные на поверхности сенсорных нейронов в носовой полости, распознают молекулы запахов и передают эту информацию в мозг. Как этим нейронам удается распознавать большое разнообразие сигналов и адаптироваться к различным уровням стимуляции?
Совместная команда с факультета естественных наук и медицинского факультета Женевского университета (UNIGE) исследовала профиль экспрессии генов этих нейронов в присутствии или отсутствии стимуляции запахами. Ученые обнаружили неожиданную изменчивость этих профилей в зависимости от выраженности обонятельного рецептора и предыдущего воздействия запахов. Эти результаты, которые будут опубликованы в журнале Nature Communications, свидетельствуют о широком диапазоне идентичности обонятельных нейронов и их адаптации к окружающей среде.
У млекопитающих восприятие запахов обеспечивается миллионами обонятельных нейронов, расположенных в слизистой оболочке носовой полости. Эти нейроны имеют на своей поверхности рецепторы, способные специфически связываться с молекулой запаха. Каждый обонятельный нейрон экспрессирует только один ген, кодирующий обонятельный рецептор, выбранный из репертуара, насчитывающего около 450 у человека и 1 200 у мыши.
Когда летучая молекула распознается рецептором, он активируется и генерирует сигнал, который передается в обонятельную луковицу в головном мозге, сигнал, который затем преобразуется в запах. Обонятельная система реагирует на очень изменчивую окружающую среду и должна уметь быстро адаптироваться. Например, при непрерывной стимуляции определенными молекулами запаха интенсивность восприятия постепенно снижается, а иногда и вовсе исчезает.
Группа профессора Ивана Родригеса с кафедры генетики и эволюции факультета естественных наук в сотрудничестве с профессором Аланом Карлетоном с кафедры фундаментальной нейронауки медицинского факультета интересуется адаптивными механизмами нейронов, в частности, обонятельных нейронов у мышей. В предыдущем исследовании ученые обнаружили, что после стимуляции рецептора молекулой одоранта менее чем на час, экспрессия гена, кодирующего этот рецептор, в нейроне снижается, что указывает на очень быстрый механизм адаптации.
Биологи продолжили этот подход и изучили возможность того, что такая адаптация к обонятельному опыту влияет не только на ген, кодирующий рецептор, но и на другие гены. Для этого у тысяч обонятельных нейронов был определен профиль генов, экспрессируемых до и после обонятельной стимуляции, путем секвенирования их мессенджерных РНК (молекул, которые впоследствии позволяют производить белки).
"К нашему удивлению, мы обнаружили, что в состоянии покоя, то есть в среде без стимуляции, профили мессенджерных РНК популяций обонятельных сенсорных нейронов мыши уже сильно отличаются друг от друга и специфичны для обонятельного рецептора, который они экспрессируют", - сообщает Луис Флорес Хорге, докторант кафедры генетики и эволюции и соавтор исследования. Нейроны, экспрессирующие один и тот же рецептор, имеют не только общий рецептор, но и различаются по экспрессии сотен других генов. Гены, уровень экспрессии которых, по-видимому, направляется выраженным обонятельным рецептором, который, таким образом, играет двойную роль.
Затем биологи проанализировали экспрессию генов в этих нейронах после стимуляции молекулами одорантов. Они заметили, что эти молекулы вызывают массивные изменения в экспрессии генов в активированных нейронах. "В то время как считалось, что связывание молекулы одоранта приводит только к активации соответствующего рецептора, мы обнаружили, что обонятельные нейроны радикально меняют свою идентичность, модулируя экспрессию сотен генов после активации. И эта новая идентичность снова зависит от экспрессированного рецептора. Перед нами неожиданный, масштабный, быстрый и обратимый механизм адаптации", - объясняет Иван Родригес, соавтор исследования.
Эта работа показывает, что обонятельные нейроны не следует рассматривать как сенсоры, просто переходящие из состояния покоя в стимулированное состояние, но что их идентичность находится в постоянной эволюции, не только в зависимости от экспрессированного рецептора, но и от прошлого опыта. Это открытие добавляет еще один уровень к сложности и гибкости обонятельной системы. Понимание того, как определяется эта идентичность, станет следующей задачей женевской команды.
