Обонятельные рецепторы ( ОР ), также известные как рецепторы запахов , являются хеморецепторами, экспрессируемыми в клеточных мембранах обонятельных рецепторных нейронов и отвечают за обнаружение одорантов (например, соединений, имеющих запах), которые вызывают обоняние . Активированные обонятельные рецепторы запускают нервные импульсы , которые передают информацию о запахе в мозг. У позвоночных эти рецепторы являются членами класса А родопсин-подобного семейства рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR). [1] [2] Обонятельные рецепторы образуют крупнейшее мультигенное семейство у позвоночных, состоящее примерно из 400 генов у людей и 1400 генов у мышей. [3] У насекомых обонятельные рецепторы являются членами неродственной группы лиганд-управляемых ионных каналов. [4]
У позвоночных обонятельные рецепторы расположены как в ресничках, так и в синапсах обонятельных сенсорных нейронов [5] и в эпителии дыхательных путей человека. [6] Сперматозоиды также экспрессируют обонятельные рецепторы, которые, как считается, участвуют в хемотаксисе для поиска яйцеклетки . [7]
Вместо того, чтобы связывать специфические лиганды, обонятельные рецепторы проявляют сродство к ряду молекул запаха , и наоборот, одна молекула одоранта может связываться с несколькими обонятельными рецепторами с различным сродством, [8] которое зависит от физико-химических свойств молекул, таких как их молекулярные объемы. [9] После того, как одорант связался с рецептором запаха, рецептор претерпевает структурные изменения, и он связывает и активирует белок G обонятельного типа внутри нейрона обонятельного рецептора. Белок G (Golf и / или Gs ) [ 10 ] , в свою очередь, активирует лиазу - аденилатциклазу , - которая превращает АТФ в циклический АМФ (цАМФ). ЦАМФ открывает ионные каналы, управляемые циклическими нуклеотидами , которые позволяют ионам кальция и натрия проникать в клетку, деполяризуя нейрон обонятельного рецептора и начиная потенциал действия , который переносит информацию в мозг .
Первичные последовательности тысяч обонятельных рецепторов известны из геномов более дюжины организмов: они представляют собой семиспиральные трансмембранные белки, но существует очень мало решенных структур. [11] Их последовательности демонстрируют типичные мотивы GPCR класса A, полезные для построения их структур с помощью молекулярного моделирования. [12] Голебиовски, Ма и Мацунами показали, что механизм распознавания лигандов, хотя и похож на другие необонятельные GPCR класса A, включает остатки, специфичные для обонятельных рецепторов, особенно в шестой спирали. [13] Примерно в трех четвертях всех ОР имеется высококонсервативная последовательность, которая представляет собой триподальный сайт связывания ионов металла, [14] и Суслик предположил, что ОР на самом деле являются металлопротеинами (скорее всего, с ионами цинка, меди и, возможно, марганца), которые служат сайтом кислоты Льюиса для связывания многих молекул одоранта. Крэбтри в 1978 году ранее предположил, что Cu(I) является «наиболее вероятным кандидатом на металлорецепторный участок в обонянии» для сильнопахнущих летучих веществ, которые также являются хорошими лигандами для координации металлов , такими как тиолы. [15] Чжуан, Мацунами и Блок в 2012 году подтвердили предложение Крэбтри/Суслика для конкретного случая мышиного ОР, MOR244-3, показав, что медь необходима для обнаружения определенных тиолов и других серосодержащих соединений. Таким образом, используя химическое вещество, которое связывается с медью в носу мыши, так что медь недоступна для рецепторов, авторы показали, что мыши не могут обнаружить тиолы. Однако эти авторы также обнаружили, что у MOR244-3 отсутствует специфический участок связывания ионов металла, предложенный Сусликом, вместо этого показывая другой мотив в домене EC2. [16]
Предполагается, что нарушение функции металлопротеинов в обонятельной системе связано с нейродегенеративными заболеваниями, вызванными амилоидозом. [17]
В недавней, но весьма спорной интерпретации также было высказано предположение, что обонятельные рецепторы могут действительно ощущать различные уровни колебательной энергии молекулы, а не структурные мотивы посредством механизмов квантовой когерентности. [18] В качестве доказательства было показано, что мухи могут различать две молекулы запаха, которые отличаются только изотопом водорода (что радикально изменит уровни колебательной энергии молекулы). [19] Мухи не только могли различать дейтерированную и недейтерированную формы одоранта, они могли обобщить свойство «дейтерированности» на другие новые молекулы. Кроме того, они обобщили усвоенное поведение избегания на молекулы, которые не были дейтерированы, но разделяли значительное колебательное растяжение с дейтерированными молекулами, факт, который дифференциальная физика дейтерирования (ниже) с трудом может объяснить.
Дейтерирование изменяет теплоты адсорбции и точки кипения и замерзания молекул (точки кипения: 100,0 °C для H 2 O против 101,42 °C для D 2 O; точки плавления: 0,0 °C для H 2 O, 3,82 °C для D 2 O), pKa (т.е. константа диссоциации: 9,71x10 −15 для H 2 O против 1,95x10 −15 для D 2 O, ср. тяжелая вода ) и прочность водородных связей. Такие изотопные эффекты чрезвычайно распространены, и поэтому хорошо известно, что замещение дейтерия действительно изменит константы связывания молекул с белковыми рецепторами. [20]
Было заявлено, что обонятельные рецепторы человека способны различать дейтерированные и недейтерированные изотопомеры циклопентадеканона путем измерения уровня колебательной энергии. [21] Однако это утверждение было оспорено другим отчетом о том, что рецептор распознания мускуса человека OR5AN1 , который надежно реагирует на циклопентадеканон и мускон , не различает изотопомеры этих соединений in vitro. Более того, рецептор распознания (метилтио)метантиола мыши MOR244-3, а также другие выбранные обонятельные рецепторы человека и мыши реагировали аналогично на нормальные, дейтерированные и изотопомеры углерода-13 их соответствующих лигандов, что соответствует результатам, полученным с рецептором мускуса OR5AN1. [22] Таким образом, был сделан вывод, что предложенная теория вибрации не применима к человеческому мускусному рецептору OR5AN1, мышиному тиоловому рецептору MOR244-3 или другим исследованным обонятельным рецепторам. Кроме того, предложенный механизм переноса электронов колебательных частот одорантов может быть легко подавлен квантовыми эффектами неодорантных молекулярных колебательных мод. Таким образом, многочисленные линии доказательств выступают против теории вибрации обоняния. [23] Это более позднее исследование подверглось критике, поскольку в нем использовались «клетки в чашке, а не внутри целых организмов», и что «выражение обонятельного рецептора в эмбриональных почечных клетках человека не адекватно воссоздает сложную природу обоняния ...». В ответ авторы второго исследования заявляют: «Эмбриональные почечные клетки не идентичны клеткам в носу ... но если вы смотрите на рецепторы, это лучшая система в мире». [24] [25] [26]
Существует большое количество различных обонятельных рецепторов, в геноме млекопитающих их насчитывается до 1000 , что составляет примерно 3% генов в геноме. Однако не все из этих потенциальных генов обонятельных рецепторов выражены и функциональны. Согласно анализу данных, полученных в рамках проекта «Геном человека» , у людей имеется около 400 функциональных генов, кодирующих обонятельные рецепторы, а остальные 600 кандидатов являются псевдогенами . [27]
Причина большого количества различных обонятельных рецепторов заключается в том, чтобы обеспечить систему для различения как можно большего количества различных запахов. Тем не менее, каждый обонятельный рецептор не обнаруживает один запах. Вместо этого каждый отдельный обонятельный рецептор широко настроен на активацию рядом схожих структур обонятельных веществ. [28] [29] Аналогично иммунной системе , разнообразие, существующее в семействе обонятельных рецепторов, позволяет охарактеризовать молекулы, которые никогда ранее не встречались. Однако, в отличие от иммунной системы, которая генерирует разнообразие посредством рекомбинации in situ , каждый обонятельный рецептор транслируется с определенного гена; отсюда большая часть генома, посвященная кодированию генов OR. Кроме того, большинство запахов активируют более одного типа обонятельных рецепторов. Поскольку число комбинаций и перестановок обонятельных рецепторов очень велико, система обонятельных рецепторов способна обнаруживать и различать очень большое количество молекул обонятельных веществ.
Деорфанизация обонятельных рецепторов может быть завершена с использованием электрофизиологических и визуализирующих методов для анализа профилей ответов отдельных сенсорных нейронов на обонятельные репертуары. [30] Такие данные открывают путь к расшифровке комбинаторного кода восприятия запахов. [31]
Такое разнообразие экспрессии OR максимизирует способность обоняния. Как моноаллельная экспрессия OR в одном нейроне, так и максимальное разнообразие экспрессии OR в популяции нейронов имеют важное значение для специфичности и чувствительности обонятельного восприятия. Таким образом, активация обонятельных рецепторов является проблемой дизайна с двойной целью. Используя математическое моделирование и компьютерное моделирование, Тиан и др. предложили эволюционно оптимизированный трехслойный механизм регуляции, который включает зональную сегрегацию, пересечение эпигенетических барьеров, сопряженное с отрицательной обратной связью, и этап конкуренции энхансеров [32] . Эта модель не только воспроизводит моноаллельную экспрессию OR, но и объясняет, как обонятельная система максимизирует и поддерживает разнообразие экспрессии OR.
Была разработана система номенклатуры для семейства обонятельных рецепторов [ 33 ] , которая является основой для официальных символов проекта «Геном человека» ( HUGO ) для генов , кодирующих эти рецепторы. Названия отдельных членов семейства обонятельных рецепторов имеют формат «ORnXm», где:
Например, OR1A1 в первой изоформе подсемейства А семейства обонятельных рецепторов 1.
Члены, принадлежащие к одному и тому же подсемейству обонятельных рецепторов (>60% идентичности последовательностей), вероятно, будут распознавать структурно схожие молекулы пахучих веществ. [34]
У человека выявлено два основных класса обонятельных рецепторов: [35]
Рецепторы класса I специализируются на обнаружении гидрофильных одорантов, тогда как рецепторы класса II обнаруживают более гидрофобные соединения. [36]
Было показано, что семейство генов обонятельных рецепторов у позвоночных эволюционирует посредством геномных событий, таких как дупликация генов и генная конверсия . [37] Доказательством роли тандемной дупликации является тот факт, что многие гены обонятельных рецепторов, принадлежащие к одной и той же филогенетической кладе, расположены в одном и том же кластере генов . [38] На данный момент организация геномных кластеров обонятельных рецепторов хорошо сохраняется у людей и мышей, хотя функциональное количество OR значительно различается между этими двумя видами. [39] Такая эволюция рождения и смерти объединила сегменты из нескольких генов OR для генерации и вырождения конфигураций сайтов связывания одоранта, создавая новые функциональные гены OR, а также псевдогены. [40]
По сравнению со многими другими млекопитающими, приматы имеют относительно небольшое количество функциональных генов OR. Например, с момента расхождения с их самым последним общим предком (MRCA) мыши приобрели в общей сложности 623 новых гена OR и потеряли 285 генов, тогда как люди приобрели только 83 гена, но потеряли 428 генов. [41] У мышей в общей сложности 1035 генов OR, кодирующих белок, у людей — 387 генов OR, кодирующих белок. [41] Гипотеза приоритета зрения утверждает, что эволюция цветового зрения у приматов могла снизить зависимость приматов от обоняния, что объясняет ослабление селективного давления, которое объясняет накопление псевдогенов обонятельных рецепторов у приматов. [42] Однако недавние доказательства сделали гипотезу приоритета зрения устаревшей, поскольку она была основана на вводящих в заблуждение данных и предположениях. Гипотеза предполагала, что функциональные гены OR могут быть соотнесены с обонятельной способностью данного животного. [42] С этой точки зрения, уменьшение доли функциональных генов OR приведет к снижению обоняния; виды с большим количеством псевдогенов также будут иметь сниженную обонятельную способность. Это предположение ошибочно. Собаки, которые, как считается, обладают хорошим обонянием, [43] не имеют самого большого количества функциональных генов OR. [41] Кроме того, псевдогены могут быть функциональными; 67% псевдогенов OR человека экспрессируются в основном обонятельном эпителии, где они, возможно, играют регуляторную роль в экспрессии генов. [44] Что еще более важно, гипотеза приоритета зрения предполагала резкую потерю функциональных генов OR в ветви OWMs , но этот вывод был основан на данных низкого разрешения всего лишь из 100 генов OR. [45] Исследования с высоким разрешением, напротив, подтверждают, что приматы утратили гены OR в каждой ветви от MRCA до людей, что указывает на то, что дегенерация репертуара генов OR у приматов не может быть просто объяснена изменением возможностей зрения. [46]
Было показано, что отрицательный отбор все еще ослаблен в современных обонятельных рецепторах человека, что говорит о том, что плато минимальной функции еще не достигнуто у современных людей, и поэтому обонятельная способность может все еще снижаться. Это считается первым ключом к будущей генетической эволюции человека. [47]
В 2004 году Линда Б. Бак и Ричард Аксель получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свою работу [48] по обонятельным рецепторам. [49] В 2006 году было показано, что существует еще один класс обонятельных рецепторов, известный как рецепторы, ассоциированные со следовыми аминами (TAAR), для обнаружения летучих аминов . [50] За исключением TAAR1 , все функциональные TAAR у людей экспрессируются в обонятельном эпителии . [51] Также был идентифицирован третий класс обонятельных рецепторов, известный как вомероназальные рецепторы ; вомероназальные рецепторы предположительно функционируют как феромонные рецепторы.
Как и в случае со многими другими GPCR, для обонятельных рецепторов все еще не хватает экспериментальных структур на атомном уровне, а структурная информация основана на методах моделирования гомологии . [52] В 2023 году была обнаружена структура OR51E2 , что стало первым разъяснением структуры любого обонятельного рецептора человека. [53]
Однако ограниченная функциональная экспрессия обонятельных рецепторов в гетерологичных системах значительно затруднила попытки их деорнитизации (анализ профилей ответов отдельных обонятельных рецепторов). [54] Впервые это было выполнено с помощью генно-инженерного рецептора OR-I7 для характеристики «запахового пространства» популяции нативных альдегидных рецепторов. [55]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )