Обоняние у насекомых и млекопитающих основано на разных молекулярных механизмах

Схема строения обонятельной системы. Отростки нейронов, несущих разные рецепторы, идут в разные гломерулы обонятельной луковицы (рис. с сайта www.astrosurf.org)

Обонятельные нейроны насекомых и млекопитающих устроены очень похоже. Считалось, что обонятельные рецепторы — белки, ответственные за восприятие запахов, — у этих животных тоже сходны и имеют общее происхождение. Оказалось, что это не так. Обонятельные системы насекомых и млекопитающих возникли независимо друг от друга, а их сходство — результат конвергенции (параллельного развития).

В строении органов обоняния у насекомых и млекопитающих много общего. В обеих группах имеются специализированные нервные клетки — обонятельные нейроны. Покрытые ресничками кончики их «входных» отростков (дендритов) контактируют с внешней средой. В их оболочку (мембрану) вмонтированы особые белки — обонятельные рецепторы (ОР), способные избирательно связываться с определенными молекулами (лигандами), присутствующими во внешней среде. Каждый рецептор «узнает» молекулы только одного типа.

ОР — довольно длинные белки, имеющие сложную структуру. Каждый ОР пронизывает мембрану 7 раз, образуя несколько петель вне клетки и внутри нее. Когда наружная часть рецептора связывается с лигандом, внутренняя часть рецептора меняет свою конформацию и тем самым передает сигнал внутрь клетки, что в конечном итоге приводит к возбуждению нейрона (генерации нервного импульса). Импульс передается по аксону («выходному» отростку нейрона) в специальный отдел нервной системы, ответственный за восприятие обонятельной информации (у млекопитающих он называется «обонятельной луковицей»). Каждый обонятельный нейрон имеет только один тип обонятельных рецепторов и воспринимает, соответственно, только один вид запахов. Аксоны нейронов, имеющих один и тот же рецептор, идут все вместе в строго определенный участок обонятельной луковицы.

Всё сказанное справедливо и для зверей, и для насекомых. Сходство обонятельных систем, казалось бы, свидетельствует об их едином происхождении. Поэтому было принято считать, что эти системы унаследованы млекопитающими и насекомыми от их общего предка, неведомого примитивного двусторонне-симметричного животного, жившего более полумиллиарда лет назад.

Ученые из Рокфеллеровского университета (Нью-Йорк, США) показали, что это не так. Оказалось, что ОР насекомых и млекопитающих работают по-разному и имеют разную структуру. Главное отличие состоит в том, что у насекомых, в отличие от млекопитающих, ОР работают не в одиночку, а в комплексе со специальным белком OR83b. Этот белок по своей структуре похож на обычные ОР, и поэтому формально классифицируется как рецептор, но его функция оставалась неясной. В отличие от типичных ОР, которые у разных насекомых разные, белок OR83b очень консервативен, то есть его строение у всех насекомых примерно одинаково. Каждый обонятельный нейрон насекомых, таким образом, производит не один, а два рецептора: типичный ОР, ответственный за восприятие какого-то конкретного запаха, и OR83b. У мухи Drosophila melanogaster имеется более 60 разных ОР (и, соответственно, столько же типов обонятельных нейронов), а белок OR83b у всех этих нейронов один и тот же. У мыши разнообразие обонятельных рецепторов гораздо выше (более 1000), а аналогов белка OR83b у млекопитающих, по-видимому, нет.

Слева: органы обоняния (антенна) и вкуса (хоботок) у мухи дрозофилы. В центре: кончик антенны с чувствительными волосками — сенсиллами. Справа: схема строения обонятельного нейрона. Рис. из статьи в PloS Biology

Зачем же нужен насекомым белок OR83b? Исследователи выяснили, что нейрон с «выключенным» геном OR83b продолжает производить ОР, характерный для данного нейрона, но этот белок остается в цитоплазме и не попадает на кончики дендритов и потому не может выполнять свою функцию. Выяснилось, что молекула ОР может попасть на мембрану и нормально работать только в комплексе с OR83b. Сам белок OR83b, впрочем, попадает на свое «рабочее место» и в одиночку, без ОР. Вероятно, OR83b служит своеобразным транспортным средством, доставляющим ОР из цитоплазмы на мембрану дендрита. Но этим функции OR83b не исчерпываются: он остается связанным с ОР и на мембране, и, по-видимому, каким-то образом помогает ему в работе.

Обнаружились также существенные различия в строении самих ОР у насекомых и млекопитающих. Похоже, эти рецепторы по-разному осуществляют передачу сигнала внутрь клетки.

Исследователи считают, что выявленные ими различия в молекулярных механизмах обоняния свидетельствуют о независимом происхождении обонятельных систем у насекомых и млекопитающих. Сходство в строении этих систем, следовательно, является результатом параллельного развития — конвергенции.

Авторы считают, что их открытие поможет в разработке высокоэффективных, строго избирательных репеллентов. Но значение этой работы, конечно, не сводится к радужной перспективе разработки нового средства от комаров. Обнаружение нового яркого примера параллельного развития в весьма далеких друг от друга группах — важный вклад в эволюционную теорию. Между прочим, степень конвергентного сходства обонятельных систем насекомых и млекопитающих может оказаться даже выше, чем это показано в статье. Совсем недавно было установлено, что в некоторых обонятельных нейронах млекопитающих (так называемых вомероназальных нейронах, ответственных за восприятие феромонов и персональных запахов) рецепторы тоже работают не в одиночку, а в комплексе с другими «рецептороподобными» молекулами. Но у млекопитающих в роли «помощников» обонятельных рецепторов выступает не OR83b, а другие белки, относящиеся к семейству иммуноглобулинов.

Источник: Benton R., Sachse S., Stephen W. Michnick S. W., Leslie B., Vosshall L. B. Atypical Membrane Topology and Heteromeric Function of Drosophila Odorant Receptors In Vivo // PloS Biology. 2006. V. 4. №2.

См. также:
Обоняние.
Л. П. Татаринов. Параллелизмы и их эволюционное значение.

Александр Марков

Последние новости: Биология, Генетика, Александр Марков

10 февраля В «системе вознаграждения» найдены нейроны, возбуждающиеся от хороших предчувствий

3 февраля При выборе спутника жизни от генов зависит, чего мы хотим, но не что получаем

1 февраля Параллельная эволюция изучена в эксперименте на бактериях

31 января Больные муравьи становятся асоциальными

27 января Изменение ветров, дующих над Южным океаном, пошло на пользу альбатросам

24 января Половой отбор порождает иллюзии

18 января Новая методика позволяет изучать белки, тесно соседствующие с ДНК

17 января Стресс помогает справиться с вредными мутациями

16 января Обнаружено хищное растение, которое ловит почвенных нематод подземными листьями

15 января Параллельная эволюция касты «сверхсолдат» у муравьев получила объяснение

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):