Составлена первая точная карта обоняния: как клетки носа считывают свои координаты, чтобы мы чувствовали запахи

Способность млекопитающих воспринимать окружающий мир опирается на строгую физическую организацию органов чувств. Зрение работает благодаря точному проецированию световых лучей на сетчатку, где каждая светочувствительная клетка отвечает за конкретную точку в поле нашего зрения. Слух организован в улитке внутреннего уха, структура которой развернута в пространстве: один конец улавливает высокие частоты, другой — низкие. Осязание формирует детальную карту поверхности тела в коре головного мозга. В каждой из этих систем анатомическое положение клетки определяет, какую информацию она будет обрабатывать.

Обоняние казалось ученым исключением из этого базового правила биологии. Считалось, что обонятельный эпителий — слизистая оболочка внутри носовой полости — лишен координатной сетки. Предполагалось, что нейроны, распознающие различные молекулы запахов, распределены в ткани случайным образом. Новое исследование, проведенное нейробиологами из Гарвардской медицинской школы и опубликованное в журнале Cell, опровергает теорию хаотичного устройства. Оказалось, что ткань внутри носа представляет собой математически выверенную структуру, в которой физическое расположение клетки жестко диктует ее биологическую судьбу и функцию.

Проблема выбора из тысячи вариантов

Геном мыши содержит около 1100 функциональных генов, кодирующих обонятельные рецепторы (у человека таких генов около 400). Это одно из самых больших семейств генов у млекопитающих.

Главный закон обонятельной системы заключается в том, что каждый зрелый сенсорный нейрон должен активировать ровно один из этих 1100 генов. Если нейрон ошибется и активирует два разных рецептора одновременно, мозг не сможет расшифровать сигнал, и распознавание запаха нарушится. Каким образом развивающаяся стволовая клетка выбирает единственный нужный ген из огромного списка и навсегда блокирует все остальные, оставалось одной из главных загадок молекулярной биологии.

Долгое время в науке доминировала «зональная» модель. Ученые делили обонятельный эпителий на несколько широких анатомических участков. Считалось, что нейрон действительно ограничен зоной, в которой он находится, но внутри этой зоны он случайным образом активирует один из доступных рецепторов. То есть выбор считался процессом, основанным на вероятности.

Авторы нового исследования применили современные методы анализа одиночных клеток. Они секвенировали РНК миллионов обонятельных нейронов, чтобы понять, какие именно гены в них активны, а затем использовали технологию пространственной транскриптомики. Этот метод позволяет буквально подсветить конкретные молекулы РНК прямо в срезе ткани и точно зафиксировать, в какой физической точке находится клетка с тем или иным активным рецептором.

Результаты показали, что никакой вероятностной рулетки не существует. Каждый из 1100 рецепторов имеет свою строго заданную позицию на оси, идущей от верхней части носовой полости к нижней. Ткань не делится на широкие однородные зоны. Вместо этого она представляет собой непрерывный химический градиент. Концентрация нейронов с одним рецептором плавно возрастает в конкретной точке, а затем так же плавно снижается, уступая место нейронам с другим рецептором. Каждый тип клеток занимает свое точное местоположение на этой пространственной оси.

Химические координаты и чтение пространства

Открытие жесткой пространственной структуры породило следующий вопрос: каким образом новорожденный нейрон понимает, в какой именно точке слизистой оболочки он находится? Клетка не имеет глаз, но она способна считывать окружающую химическую среду.

Исследователи обнаружили, что роль системы координат выполняет ретиноевая кислота — производное витамина А. Под слоем развивающихся обонятельных нейронов находится другой тип ткани — мезенхима. Клетки мезенхимы вырабатывают ретиноевую кислоту неравномерно. На одном полюсе обонятельного эпителия ее производится много, а по мере продвижения к другому полюсу концентрация постепенно падает практически до нуля.

Когда стволовая клетка начинает превращаться в обонятельный нейрон, она анализирует уровень ретиноевой кислоты вокруг себя. Эта химическая координата запускает в ядре клетки специфическую программу. Программа состоит из скоординированной работы примерно 250 генов, уровень активности которых строго зависит от концентрации ретиноевой кислоты. Ученые назвали этот комплекс генов пространственным индексом клетки.

Механизм генетической блокировки

Получив свои химические координаты и запустив базовую программу из 250 генов, клетка переходит к самому сложному этапу — выбору одного обонятельного рецептора из 1100 возможных. Пространственный индекс физически перестраивает ее ДНК.

Длина молекулы ДНК в каждой клетке млекопитающего составляет около двух метров, и она должна быть невероятно плотно упакована в микроскопическом ядре. Участки ДНК, которые клетке в данный момент не нужны, скручиваются в сверхплотную структуру — гетерохроматин. В таком состоянии гены становятся физически недоступными для считывания.

Пространственный индекс управляет белками, которые занимаются упаковкой ДНК. Опираясь на полученные координаты, клетка намеренно сворачивает в гетерохроматин те участки генома, где находятся гены рецепторов, предназначенных для других участков носа. Огромный массив лишней информации просто исключается из процесса. В результате такой массированной блокировки в активном состоянии остается лишь небольшая группа генов, идеально соответствующих физическому расположению нейрона. Уже из этого узкого списка клетка окончательно выбирает один ген для активации, а остальные также переводит в неактивное состояние.

Таким образом, анатомическое положение клетки становится первичным фактором, который программирует ее генетический выбор. Пространство диктует биологию.

Проекция носа на головной мозг

После того как рецептор выбран и синтезирован, нейрону необходимо передать информацию о запахе в мозг. Для этого клетка отращивает длинный нервный отросток (аксон), который тянется в обонятельную луковицу — первичный центр обработки запахов в головном мозге.

В обонятельной луковице находятся тысячи микроскопических структур, называемых гломерулами. Правило маршрутизации здесь крайне строгое: все нейроны из носа, несущие один и тот же тип рецептора, должны направить свои аксоны в одну и ту же гломерулу. Как растущий отросток находит правильный путь среди миллионов других клеток и волокон?

Исследователи выяснили, что та самая программа из 250 генов, которая фиксировала пространственные координаты и управляла упаковкой ДНК, имеет еще одну функцию. В число этих 250 генов входят гены, кодирующие белки аксонного наведения. Эти молекулы располагаются на поверхности растущего нервного волокна и реагируют на химические сигналы среды, направляя рост аксона в нужную точку мозга.

Природа использовала невероятно эффективное решение: одна и та же координатная информация применяется дважды. Сначала она гарантирует, что нейрон вырастит правильный рецептор, а затем она же снабжает нейрон нужными навигационными белками, чтобы он безошибочно подключился к правильному участку обонятельной луковицы. Физическая карта, выстроенная в носовой полости, зеркально проецируется на структуру центральной нервной системы.

Доказательство через разрушение

Чтобы окончательно подтвердить эту логику, биологи провели эксперимент с искусственным разрушением эпителия. Они ввели мышам препарат, который временно уничтожает зрелые обонятельные нейроны, заставляя стволовые клетки начать экстренную регенерацию ткани.

В процессе этой регенерации одной группе мышей давали препараты, искусственно повышающие уровень ретиноевой кислоты в ткани, а другой — препараты, блокирующие ее синтез. Результаты оказались абсолютно предсказуемыми: вмешательство в химический градиент привело к тому, что стволовые клетки неправильно считывали свои координаты. Нейроны начали активировать рецепторы, не свойственные их реальному физическому положению, и пространственная карта обоняния сдвинулась. Это доказывает, что именно химическая разметка пространства является главным фактором развития обонятельной системы.

Значение открытия для науки и медицины

Исследование гарвардских ученых окончательно закрывает эпоху «обонятельного хаоса». Обоняние оказалось такой же высокоупорядоченной топографической системой, как зрение или слух. Распределение рецепторов по строгому градиенту делает нашу способность различать запахи устойчивой. При локальном повреждении слизистой оболочки организм не теряет целую категорию рецепторов, поскольку их распределение подчинено плавному структурному закону.

Помимо фундаментального значения, эти данные открывают новые перспективы для медицины. Потеря обоняния (аносмия) стала массовой проблемой в результате вирусных инфекций, поражающих слизистую оболочку носа. Восстановление обоняния часто идет медленно или происходит с ошибками (паросмия), когда регенерирующие нейроны активируют неправильные рецепторы или неверно подключаются к мозгу.

Понимание того, как концентрация ретиноевой кислоты и механизмы упаковки ДНК программируют специализацию нейронов, дает ученым ключи к управлению этим процессом. Зная точные химические сигналы, необходимые для правильного развития стволовых клеток, исследователи получают возможность разрабатывать терапии, направленные на точное и безошибочное восстановление обонятельного эпителия у человека.

Источник:Cell