Обоняние у насекомых и млекопитающих основано на разных молекулярных механизмах
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.
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.
