Зображення нюхових рецепторів комах вказало на механізм їхньої роботи

Американські науковці представили перші кріоелектронні зображення нюхового рецептора в роботі. Завдяки цьому вчені розкрили механізм активації рецепторів молекулами запаху. Хоча досліджуваний рецептор належить комасі та є еволюційно древнім і примітивним, результати роботи дають краще розуміння роботи нюхової системи загалом. Стаття опублікована в журналі Nature.

Зображення нюхового рецептора до (зліва) та після (справа) з'єднання з молекулою запаху; продемонстровано розширення іонного каналу в центрі рецептора. The Rockefeller University

Чому на нюх звернули увагу?

На перший погляд здається, що відчуття запахів підтримується доволі простим механізмом зв'язування летких молекул із відповідними рецепторами. Однак насправді нюх є одним із найскладніших чуттів. Для порівняння, щоб бачити кольори веселки, нам досить мати три типи клітин-фоторецепторів — колбочок. Цього достатньо, оскільки різні кольори обумовлені лише варіабельністю частот світлових хвиль. Натомість запах визначається структурою молекул та їхніх поєднань, яких у природі існує мільйони, якщо не більше. І функцією нюху є здатність розрізняти величезне різноманіття таких сполук. У людини для цього існує близько 400 функціональних типів нюхових рецепторів, або хеморецепторів. Зважаючи на складність нюху, не дивно, що наука все ще не до кінця розуміє, як він працює. Зокрема, невідомо, як один рецептор здатний розрізняти різні за розмірами та формою хімічні сполуки. Крок назустріч кращому розумінню цього процесу зробили вчені Рокфеллерівського університету.

Як вивчали рецептори?

Щоб зрозуміти, як працюють рецептори нюху, потрібно знати, яка їхня структура. Для цього вчені застосували сучасні методи кріоелектронної мікроскопії. Вона полягає у тому, що досліджуваний зразок необхідно охолодити до температури рідкого азоту, перш ніж піддати впливу пучків електронів. Завдяки цьому можна отримати тривимірне зображення молекули з високою роздільною здатністю, аж до окремих атомів.

У роботі вивчали нюхові рецептори комах Machilis hrabei. Вони мають усього п'ять типів примітивних хеморецепторів, але всі вони належать до однієї великої групи G-білокспряжених рецепторів, що нараховують мільйони варіацій і в різних комбінаціях зустрічаються у тисяч видів комах. Тобто усі вони працюють приблизно однаково, відкриваючи при з'єднанні зі специфічною молекулою іонні канали в мембрані клітин, тому вивчення рецепторів усього однієї комахи дає змогу дізнатися більше про нюх загалом. У цій роботі вчені зосередилися на вивченні рецептора OR5, який виявився чутливим до 60 відсотків протестованих ними молекул. Спочатку науковці отримали зображення самого рецептора, а після цього — зв'язаного із однією з двох сполук: евгенолом, що його виділяють із ефірних олій, або ДЕТА, який має репелентні та інсектицидні властивості.

Що вдалося винюхати?

Виявляється, коли рецептор перебуває у не зв'язаному стані, його іонний канал закритий. Однак при зв'язуванні з молекулою, чи то евгенолом, чи ДЕТА, канал розширюється та забезпечує потік іонів. Вчені припустили, що з'єднатися з різними молекулами вдалося тому, що рецептори зв'язуються зі специфічною, відмінною для певної групи молекул частиною, або що вони мають численні ділянки зв'язування, які дають змогу з'єднуватися з кількома різними молекулами. Проте жодна з цих гіпотез не підтвердилася: обидві досліджувані сполуки з'єднувалися з рецептором однаковим чином та в однаковій ділянці зв'язування. При цьому зв'язок рецептора із молекулою запаху виявився відносно слабким як для подібної взаємодії.

На думку вчених, оця неспецифічна, слабка хімічна взаємодія і забезпечує сприйнятливість до великої кількості молекул. Тобто рецептори не пристосовані розпізнавати лише якусь особливість хімічної сполуки, а радше — більш загальні властивості певної групи молекул. Але водночас проста мутація, що замінить амінокислоту в ділянці зв'язування, здатна визначити, до яких молекул буде чутливий рецептор. Це пояснює, як комахам різних середовищ (а можливо, навіть людям) удалося розвинути величезне різноманіття варіацій хеморецепторів. А саме розрізнення нервовою системою запахів, які часто є сукупністю різних молекул, відбувається через аналіз характеру активації сукупностей рецепторів.