Nos ssaka jest niezwykłym wytworem ewolucji. Zawiera miliony komórek nerwowych, z których każdy ma jeden z tysięcy specyficznych receptorów zapachowo-chemicznych znajdujących się w naszych genach. Razem komórki te potrafią rozpoznać bilion różnych zapachów. Zapachy te odgrywają kluczową rolę w różnych czynnościach, takich jak wybór jedzenia, identyfikowanie przyjaciół i wrogów oraz wywoływanie wspomnień.

W nowym badaniu naukowcy z Instytutu Zuckermana w Kolumbii odkryli ukryty mechanizm obejmujący cząsteczkę genetyczną RNA u myszy. Mechanizm ten może wyjaśniać, w jaki sposób każda komórka czuciowa, czyli neuron w nosie ssaków, specjalizuje się w wykrywaniu określonego zapachu.

Na przykład neurony czuciowe w naszych nosach są zaprojektowane do wykrywania określonych zapachów. Niektóre neurony mają receptory rozpoznające etylowanilinę, główny zapach wanilii, podczas gdy inne mają receptory dla limonenu, który jest charakterystycznym zapachem cytryn.

Doktor Stavros Lomvardas jest profesorem Roya i Diany Vagelos oraz kierownikiem katedry biochemii i biofizyki molekularnej oraz profesorem neuronauki Herberta i Florence Irving w Instytucie Zuckermana w Columbii i Vagelos College of Physicians and Surgeons, a także autorem korespondencyjnym artykułu.

Lomvardas powiedział: „Teraz historia naszego węchu staje się wyraźniejsza i bardziej dramatyczna”.

W maleńkiej przestrzeni jądra każdego neuronu węchowego rozgrywa się rywalizacja pomiędzy wieloma genami receptorów węchowych w komórce. Podobnie jak w „grze w kałamarnice”, geny te konkurują ze sobą o dominację, określając wrażliwość komórki na określone zapachy. Badanie prowadzone przez dr Lomvardasa i jego zespół ujawnia ostatni etap tego procesu, czyli wyłonienie się zwycięskiego genu z finalistów.

Ariel Pourmorady, pierwszy autor artykułu, powiedział: „To w zasadzie walka pomiędzy 1000 pretendentami. Dochodzimy do granic science fiction, jeśli chodzi o szczegóły molekularne i genomiczne, które możemy teraz zaobserwować w jądrze pojedynczej komórki.

W tym skomplikowanym procesie bierze udział wiele cech molekularnych, wpływających na zdolność każdego genu do generowania receptorów węchowych. Różne cząsteczki współpracują w genomie, wzmacniając lub tłumiąc określone geny. Ośrodki molekularne modyfikują również części genomu, faworyzując określone geny receptorów. Węzły te, po raz pierwszy zaobserwowane w 2014 r., zostały nazwane przez dr Lomvardasa „wyspami greckimi” ze względu na ich podobieństwo do wysp na Morzu Egejskim.

Pourmorady powiedział: „Okazuje się, że genom ma pewną organizację przestrzenną w jądrze, a zmiany w tej strukturze mają kluczowe znaczenie, ponieważ geny ulegają ekspresji w białkach, takich jak receptory węchowe. Dowiadujemy się, jak ważny jest ten proces w dojrzewających komórkach węchowych.”

W swoim niedawnym badaniu naukowcy zebrali dowody z badań na myszach sugerujące, że RNA, tradycyjnie znane z tłumaczenia kodu genetycznego na białka, odgrywa kluczową rolę w procesie selekcji genów układu węchowego. Wydaje się, że poza swoją rolą w wytwarzaniu białek RNA pełni także drugą, kluczową funkcję w kształtowaniu struktury genomu podczas dojrzewania komórek, co wykazały zaawansowane techniki analizy tych zmian.

Pourmorady powiedział: „Wygląda na to, że RNA wytwarzany przez komórkę podczas ekspresji genów zmienia również architekturę genomu w sposób, który wzmacnia ekspresję jednego genu receptora węchowego, jednocześnie wyłączając wszystkie pozostałe”.

Trwające badania nad tym, jak nasze geny kontrolują zmysł węchu, postępują. W miarę dojrzewania komórki węchowe wykazują ekspresję różnych genów receptorowych w określonych ośrodkach genomowych. Cząsteczki RNA odgrywają następnie kluczową rolę w zawężaniu zakresu tych genów do jednego zwycięzcy w konkretnym ośrodku, gdzie nasila się ekspresja genu receptora. Jednak ten sam RNA może również przemieszczać się do innych ośrodków, powodując zmiany w strukturze genomu, które wyciszają ekspresję genów. Ten skomplikowany proces ostatecznie prowadzi do powstania dojrzałych neuronów węchowych, z których każdy jest wyposażony w pojedynczy receptor węchowy na swojej powierzchni.

Doktor Lomvardas powiedział: „Docieramy do granic science fiction, jeśli chodzi o szczegóły molekularne i genomiczne, które możemy teraz obserwować w jądrze pojedynczej komórki. Musimy wracać, aby rozwiązać resztę tej zagadki węchowej.

Numer czasopisma:

1. Pourmorady, AD, Bashkirova, EV, Chiariello, AM i in. Łamanie symetrii za pośrednictwem RNA umożliwia wybór pojedynczego receptora węchowego. Przyroda (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06845-4