Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах

После открытия ольфакторных рецепторов ученые первым делом задались вопросом, сколько же их всего. Было уже ясно, что количество генов, кодирующих эти белки, превышает любые предварительные оценки, сделанные на базе психофизических исследований. Первые полученные данные дали возможность оценить их количество у крыс приблизительно в 1000. Получается, что в плане сложности кода обоняние куда ближе к слуху, чем к зрению.

Позже, уже после расшифровки генома, открывшей доступ ко всем генным последовательностям, количество ольфакторных рецепторов у крыс было пересмотрено: их скорее ближе к 1500, из которых 20 % не работает. Их называют псевдогенами, так как в последовательностях у них есть ряд ошибок, делающих экспрессию невозможной. Схожая картина наблюдается у мышей и собак, с 1300 и 1100 генами соответственно. У этих видов около 20 % генов, присутствующих в геноме, тоже не доходят до экспрессии. А вот у людей ситуация уже другая. Хотя общее количество генов у нашего вида более 900, находятся в рабочем состоянии и потенциально активны из них менее 350. Этот факт недвусмысленно свидетельствует, что мы постепенно теряем обоняние.

Почему же и как это происходит? В ходе эволюции в генах постоянно происходят случайные мутации – это просто следствие ошибок. Несовершенство воспроизводящего гены механизма – это не проблема; напротив, оно работает во благо нам и играет в эволюции очень важную роль. Эволюция как таковая вообще происходит в основном благодаря случайным ошибкам. Большая их часть не имеет никаких последствий для белка, кодируемого тем или иным геном, так как генетический код по природе своей избыточен, и во многих случаях замена одного-единственного нуклеотида все равно дает триплет, кодирующий ту же самую аминокислоту. Когда меняется аминокислота, мутация может оказаться в итоге благотворной, нейтральной или вредоносной для жизни и здоровья особи. Естественный отбор определит, какой вариант самый благоприятный, и назначит его победителем. В некоторых случаях замена одного нуклеотида может привести к терминирующему кодону – то есть к сигналу, велящему системе прекратить синтез данного белка, – или к другим проблемам, вследствие которых экспрессия белка все равно будет нарушена. Понятно, что, если белок незаменим или очень важен для жизни, особь может умереть, не успев передать свой генетический материал потомству.

Но если отсутствие белка не подвергает опасности жизнь и здоровье особи, то ущербный ген передается дальше, будущим поколениям, а с ним вместе и мутация.

Люди вообще не слишком полагаются на чувство обоняния. Даже совершенный аносмик может вести нормальную жизнь, ничуть не страдая от этой аномалии в процессе поиска партнера или выбора пищи. Более того, учитывая большое общее количество ольфакторных рецепторов, присутствие среди них горстки неработающих, скорее всего, вообще не будет никем замечено на протяжении всей жизни индивидуума. Это объясняет широкую распространенность псевдогенов в человеческой популяции – по крайней мере, в сравнении с другими млекопитающими. Если взять приматов, там эта тенденция тоже подтверждается: 30 % псевдогенов у низших обезьян и 50 % – у человекообразных. Что касается людей, то логично было бы предположить (и психофизические исследования до некоторой степени подтвердили эту гипотезу), что у каждого из нас нет как минимум нескольких ольфакторных рецепторов, так что такого явления, как полностью нормальный субъект, в обонянии, в отличие от зрения, просто не существует.

Ольфакторные рецепторы у позвоночных

В процессе поиска ольфакторных рецепторов у какого-нибудь нового вида последовательности дают один заметный бонус – отсутствие интронов. Обычно в гене есть кодирующие сегменты, экзоны, перемежающиеся ненужными, интронами, которые при построении РНК из ДНК просто вырезаются. На уровне РНК ген (из которого дальше будут получать белок) получается путем сшивания вместе разных фрагментов, которые в геноме могут располагаться довольно далеко друг от друга.

Ольфакторные гены позвоночных в такой редактуре не нуждаются. Мы собираем последовательности сразу на уровне генома, и это сильно облегчает поиски. К тому же ольфакторные рецепторы у позвоночных сохраняются достаточно хорошо, и поэтому, основываясь, скажем, на последовательности крыс, можно относительно легко идентифицировать ольфакторные рецепторы и у других видов позвоночных.

Приведем пример. У данио-рерио (рыба) в геноме есть 133 последовательности, кодирующие ольфакторные рецепторы. Функциональны из них менее 100. А вот у тропической лягушки Xenopus tropicalis количество генов приближается к 900, и работают из них 400. Эта лягушка вообще очень интересный вид, и о ней стоит сказать пару слов.