«Апостериори»: Учёные создали карту рецепторов запаха в носу мыши

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

У млекопитающих в носовой полости находятся обонятельные сенсорные нейроны – клетки, которые распознают молекулы запаха. Каждый такой нейрон в процессе развития активирует только один ген обонятельного рецептора из огромного набора возможных вариантов. У мышей таких функциональных рецепторов больше тысячи. До сих пор считалось, что активация конкретного гена во многом случайна: клетка как будто выбирает один рецептор из набора, разрешённого для той или иной широкой зоны обонятельного эпителия.

Новое исследование, опубликованное в журнале Cell Press, предлагает другую картину. Авторы работы показали, что в носу мышей существует не несколько грубых зон, а почти непрерывная пространственная карта рецепторов. Каждый из примерно 1100 обонятельных рецепторов занимает своё характерное положение в эпителии. Иными словами, нос оказывается устроен не как случайное поле рецепторов, а как очень сложная карта, в которой положение клетки влияет на то, какой рецептор она выберет.

Чтобы это выяснить, исследователи проанализировали около пяти миллионов клеток обонятельного эпителия мышей. Они использовали одноклеточное секвенирование РНК и методы пространственной транскриптомики, позволяющие не просто узнать, какие гены работают в клетке, но и где именно эта клетка находится в ткани.

Оказалось, что положение клетки связано с работой примерно 250 генов. Среди них есть гены факторов транскрипции, молекулы, участвующие в наведении аксонов, и компоненты сигнальных путей. Вместе они образуют своего рода пространственный код. Этот код не делит эпителий на несколько резких областей, а меняется плавно, как градиент.

Особенно важно, что этот код появляется ещё до того, как клетка окончательно выбирает свой обонятельный рецептор. То есть будущий нейрон ещё не стал клеткой запаха, но уже несёт информацию о том, где он находится. И эта информация заранее ограничивает набор рецепторов, которые он с наибольшей вероятностью может выбрать.

Одним из ключевых сигналов, по-видимому, является ретиноевая кислота – молекула, производная витамина А, которая давно известна как важный регулятор развития тканей. В новой работе авторы показали, что градиент ретиноевой кислоты связан с пространственной идентичностью клеток. Когда исследователи искусственно меняли этот сигнал, менялся и выбор рецепторов: клетки начинали чаще выбирать рецепторы, характерные для более «верхних» или более «нижних» областей эпителия.

При этом выбор рецептора всё равно не становится полностью предопределённым. Это не жёсткая инструкция а скорее вероятностный процесс. Клетка может выбрать один из нескольких близких вариантов, но эти варианты уже не случайны – они соответствуют её месту на карте.

Авторы также связывают этот механизм с тем, как устроен геном. Гены обонятельных рецепторов должны быть по большей части выключены, чтобы клетка в итоге выбрала только один рецептор. В этом участвует гетерохроматин – плотно упакованное состояние ДНК, которое подавляет активность генов. Исследователи показали, что уровень такого подавления тоже связан с положением рецепторов на пространственной карте.

Интересно, что эта карта рецепторов в носу согласована с картой в мозге. Аксоны обонятельных нейронов идут в обонятельную луковицу – первый центр обработки запахов. Там нейроны, экспрессирующие один и тот же рецептор, сходятся. Авторы показывают, что положение рецептора в носу связано с тем, куда его нейрон проецируется в мозге. То есть пространственный код помогает одновременно решить две задачи: какой рецептор выбрать и куда затем направить сигнал.

Это меняет представление об обонянии. Раньше считалось, что в отличие от зрения или слуха, где пространство играет очевидную роль, обоняние устроено более хаотично. Но новая работа показывает, что и здесь есть пространственная логика.

Пока речь идёт только о мышах, и нельзя автоматически переносить все выводы исследования на человека. Но сам принцип может оказаться важным для понимания того, как в нервной системе возникает порядок из огромного числа возможных вариантов.