Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах

Поначалу исследованиям в этой сфере сильно мешал маленький размер подопытных, но с распространением методов молекулярной биологии это ограничение было снято, и многие сотни видов стали изучаться на предмет одоранто-связывающих белков, а не так давно свою лепту внесла и расшифровка генома, которая легла в основу не одного эксперимента. В последние несколько лет новые техники секвенцирования позволили идентифицировать все гены, присутствующие в любом данном органе или организме, – недорого и за самое короткое время.

Идентификация новых последовательностей больше не конечная цель процесса, а самое его начало. Экспериментальная работа сейчас нацелена в основном на понимание функций белков. Ученые берут последовательности, способные представлять особый интерес, заражают белком бактерии (обычно в высокорепродуктивных количествах) и изучают продукт с функциональной и структурной точки зрения. Дополнительную информацию о физиологической роли того или иного белка можно получить, заблокировав соответствующий ген и проверив эффект на биологическом, физиологическом и поведенческом уровне.

Итак, стимулом для исследований обоняния у насекомых стали новые технологии и та практическая польза, которую может принести возможность контролировать популяции вредителей сельского хозяйства и кровососущих насекомых вроде комаров. На самом деле исследования ОСБ у насекомых ведутся гораздо активнее, чем у млекопитающих и вообще у позвоночных. Увы, несмотря на огромные объемы информации – как структурного, так и функционального толка, – собранной с рекомбинантными белками, мы еще до сих пор слабо понимаем, как именно белки участвуют в идентификации химических стимулов и зачем они нужны насекомым в таких беспрецедентных количествах. Позже мы еще вернемся к этому вопросу – после того, как представим вам главных специалистов по переводу и интерпретации химических сигналов, а именно ольфакторные белки-рецепторы, сидящие на мембране хемосенсорных нейронов.

Хемосенсорные белки

Пришло время поближе познакомиться еще с одним персонажем, участвующим в хемодетекции. В лимфе хемосенсилл у насекомых (то есть в той же самой среде, из которой удалось изолировать ОСБ) был обнаружен еще один класс маленьких растворимых белков. Как и ОСБ, они присутствуют там в очень высоких концентрациях и способны связывать одоранты и феромоны.

Эти белки получили название хемосенсорных (ХСБ), что указывает на их общую роль в хеморецепции, без ограничения одним только обонянием. В самом начале эти белки были найдены на контактных сенсиллах и считались отвечающими за вкус, но потом их выявили и на ольфакторных.

Структурно эти белки состоят из α-спиральных доменов, организованных в трехмерные укладки, совсем непохожие на ОСБ насекомых (см. рис. 24). ХСБ тоже очень компактны и стабильны, что вместе с липокалинами и ОСБ насекомых открывает им обширные технологические перспективы.

Не обонянием единым

Уникальная стабильность и эффективность всех трех классов изученных нами белков, ОСБ млекопитающих, ОСБ насекомых и ХСБ, и их способность связывать широкий спектр химикатов, сравнимый с количеством встречающихся в природе одорантов, видимо, и отвечают за то, что эти белки содержатся во многих органах и тканях помимо носа и хемосенсилл.

Трансляция химических сигналов

Как только ученые сумели изолировать образец коровьего ОСБ, они тут же подвергли его секвенционному анализу, чтобы понять, к какому классу белков он может относиться. Еще до наступления эры геномов у них в распоряжении была большая база данных по последовательностям белков: естественно, они надеялись найти параллели с чем-то уже изученным. Им хватило коротенького сегмента последовательности, всего в 25 аминокислот, чтобы выявить заметное сходство с маленькими растворимыми белками, присутствующими в моче мышей и крыс.

ОСБ – переносчики феромонов в моче грызунов

Эти белки, получившие название ОМБ (основные мочевые белки), были описаны еще в 1965 году, но два десятилетия спустя их функции все еще оставались для науки загадкой. Один факт не давал ученым покоя: эти ОМБ выделялись в мочу мышей в количестве до 10 миллиграммов в день – это примерно 10 % азотного баланса животного. Такую колоссальную трату энергии должно что-то оправдывать, какие-то очень важные функции.

Любопытно, что значительное сходство между ОМБ и ОСБ в итоге пролило свет не на функции ОСБ, а на присутствие ОМБ в моче, убедительно разрешив загадку двадцатилетней давности. Логично было предположить, что, если ОСБ связывают одоранты и феромоны, ОМБ тоже будут работать с подобного рода лигандами. Впоследствии это было экспериментально доказано Андреа Каваджони, который обнаружил и еще один, более интересный момент: изолированные из мышиной мочи ОМБ оказались нагружены химическими веществами, которые ученые уже идентифицировали как мышиные феромоны.