Nos ssaka jest dziełem sztuki ewolucyjnej. Miliony komórek nerwowych, z których każda jest wyposażona w zaledwie jeden z tysięcy specyficznych receptorów zapachowo-chemicznych zakodowanych w genomie, potrafią łącznie rozróżnić bilion różnych zapachów. Te doznania z kolei wpływają na wiele zachowań, od oceny opcji żywieniowych, przez odróżnianie przyjaciół od wrogów, aż po wywoływanie wspomnień.
Dzisiaj w czasopiśmie Nature zespół badawczy kierowany przez naukowców z Instytutu Zuckermana w Kolumbii opisuje niewykryty wcześniej mechanizm u myszy – z udziałem cząsteczki genetycznej RNA – który może wyjaśnić, w jaki sposób każda komórka czuciowa, czyli neuron w nosie ssaków, dostosowuje się do wykryć konkretny zapach chemiczny.
Na przykład w naszych nosach znajdują się neurony czuciowe, które zawierają receptory specjalnie dostrojone do wykrywania etylowaniliny, głównego zapachu wanilii, i innych komórek z receptorami limonenu, charakterystycznego zapachu cytryny.
„To, w jaki sposób komórki czuciowe w nosie dokonują wyboru receptorów, jest jedną z najbardziej irytujących tajemnic węchu” – powiedział dr Stavros Lomvardas, profesor Roya i Diany Vagelos oraz kierownik katedry biochemii i biofizyki molekularnej oraz profesor neurologii Herbert i Florence Irving w Instytucie Zuckermana w Columbii oraz w Vagelos College of Physicians and Surgeons, a także autor korespondencyjny artykułu. „Teraz historia naszego węchu staje się jaśniejsza, a także bardziej dramatyczna”.
Dramat wyrafinowania zmysłów, o którym mówi, rozgrywa się całkowicie w maleńkich granicach jądra każdego neuronu węchowego, w którym znajdują się chromosomy i geny komórki. Tam, w konkursie w stylu Squid Games, w którym zwycięzca bierze wszystko, niezliczone geny receptorów węchowych rozwijającej się komórki rywalizują ze sobą w procesie, który etapami wybiera najpierw garstkę finalistów, a następnie jednego zwycięzcę. Dominującym genem jest ten, który określa wrażliwość komórki na zapachy. W swoim badaniu dr Lomvardas i jego zespół odkrywają szczegóły końcowego etapu tego procesu, kiedy zwycięzca wyłoni się z genów finalisty.
„To w zasadzie bitwa pomiędzy 1000 pretendentami” – powiedział Ariel Pourmorady, pierwszy autor artykułu i doktor nauk medycznych. kandydat w Instytucie Zuckermana w laboratorium Lomvardas.
Akcja jest niezwykle złożona i obejmuje oszałamiającą gamę postaci molekularnych. Role, które zwiększają lub zmniejszają zdolność każdego genu do wytwarzania receptorów węchowych, odgrywają różne cząsteczki regulujące geny. Łącząc się w różne sojusze w obrębie genomu, ci molekularni gracze pomagają włączać i wyłączać określone geny.
W grę wchodzi także inny zestaw ośrodków molekularnych, które przekształcają fragmenty genomu w sposób faworyzujący określone geny receptorów. Kiedy jego zespół po raz pierwszy zaobserwował je w genomie w 2014 r., dr Lomvardas nazwał je „wyspami greckimi”, ponieważ przypominały mu wyspy na Morzu Egejskim.
„Okazuje się, że genom ma pewną organizację przestrzenną w jądrze, a zmiany w tej strukturze mają kluczowe znaczenie, jeśli chodzi o to, które geny ulegają ekspresji w białkach, takich jak receptory węchowe” – powiedział Pourmorady. „Dowiadujemy się, jak ważny jest ten proces w dojrzewających komórkach węchowych”.
W swoim nowym artykule w Nature naukowcy przywołują mnóstwo danych z badań na myszach, które wskazują, że RNA jest podstawową cząsteczką w mechanizmie wyboru genów układu węchowego. RNA jest najbardziej znany jako cząsteczka pośrednia, która tłumaczy kod genetyczny zawarty w DNA na cząsteczki białka o określonych zadaniach komórkowych, takich jak wykrywanie substancji zapachowych. Korzystając jednak z wyrafinowanych technik analizy zmian w strukturze genomu w miarę dojrzewania komórek, naukowcy twierdzą, że ich dowody wskazują na kluczową, drugą rolę RNA.
„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” – stwierdził Pourmorady.
Nadal istnieją duże luki w tej historii dotyczącej kontroli genomu, ale naukowcy przedstawiają zarys
staje się coraz bardziej określona. Zaczyna się od dojrzewania komórek węchowych, które początkowo wyrażają wiele genów receptorowych w tych węzłach genomowych, gdzie zbiegają się cząsteczki i kompleksy regulujące geny, w tym na wyspach greckich.
Następnie RNA przesiewa rywalizujące geny receptorów węchowych do jednego. Konkurencję wygrywa ten konkretny ośrodek w każdej komórce, w którym gwiazdy molekularne ustawiają się tak, aby wytworzyć największą ilość RNA. W tym ośrodku ekspresja genów receptorów gwałtownie rośnie. Ale niczym podstępny sabotażysta, RNA z tego samego węzła może przedostać się do wszystkich pozostałych ośrodków. W tych lokalizacjach RNA powoduje zmiany kształtu genomu, które wyłączają ekspresję genów. Rezultatem jest liczba dojrzałych neuronów węchowych, z których każdy ma na swojej powierzchni tylko jeden receptor węchowy.
„Docieramy do granic science fiction, jeśli chodzi o szczegóły molekularne i genomiczne, które możemy obecnie obserwować w jądrze pojedynczej komórki” – powiedział dr Lomvardas. „Musimy wracać, aby rozwiązać resztę tej zagadki węchowej”.