Обонятельные рецепторы: структура, функция и механизм распознавания запахов.

Введение

Химорецепторы, экспрессируемые в клеточных мембранах обонятельных рецепторных нейронов.

Обонятельные рецепторы (ОР), также известные как рецепторы запахов, являются хеморецепторами, экспрессируемыми в клеточных мембранах обонятельных рецепторных нейронов и отвечают за обнаружение запаховых веществ (например, соединений, обладающих запахом), которые вызывают ощущение запаха. Активированные обонятельные рецепторы запускают нервные импульсы, передающие информацию о запахе в мозг. У позвоночных эти рецепторы принадлежат к классу А родопсиноподобных рецепторов, связанных с G-белком (GPCR). Обонятельные рецепторы формируют мультигенную семью, состоящую примерно из 400 генов у человека и 1400 генов у мышей. У насекомых обонятельные рецепторы принадлежат к несвязанной группе лиганд-зависимых ионных каналов.

Выражение

У позвоночных обонятельные рецепторы находятся как в ресничках, так и в синапсах обонятельных сенсорных нейронов, а также в эпителии дыхательных путей человека. Сперматозоиды также экспрессируют обонятельные рецепторы, которые предположительно участвуют в хемотаксисе для поиска яйцеклетки.

Механизм

Вместо того, чтобы связывать специфические лиганды, обонятельные рецепторы проявляют сродство к ряду молекул запаха, и наоборот, одна молекула запаха может связываться с несколькими обонятельными рецепторами с различной степенью сродства, которая зависит от физико-химических свойств молекул, таких как их молекулярный объем. После связывания молекулы запаха с обонятельным рецептором, рецептор претерпевает структурные изменения и связывается, активируя обонятельный G-белок внутри обонятельного рецепторного нейрона. G-белок (Golf и/или Gs), в свою очередь, активирует аденилатциклазу, которая преобразует АТФ в циклический АМФ (cAMP). cAMP открывает циклические нуклеотидные ионные каналы, позволяя ионам кальция и натрия проникать в клетку, деполяризуя обонятельный рецепторный нейрон и инициируя потенциал действия, который передает информацию в мозг.

Металопротеинолигантное взаимодействие

Первичные последовательности тысяч обонятельных рецепторов известны из геномов более десятка организмов: это семиспиральные трансмембранные белки, однако решены структуры лишь для немногих из них. Их последовательности демонстрируют типичные мотивы GPCR класса A, полезные для построения их структур с помощью молекулярного моделирования. Голебиевски, Ма и Мацунами показали, что механизм распознавания лиганда, хотя и схож с таковым у других не-обонятельных GPCR класса A, включает остатки, специфичные для обонятельных рецепторов, особенно в шестой спирали. Примерно в трех четвертях всех ОР присутствует высококонсервативная последовательность, представляющая собой сайт связывания тройного металлического иона, и Суслик предположил, что ОР фактически являются металлопротеинами (вероятнее всего, с ионами цинка, меди и, возможно, марганца), служащими в качестве сайта кислоты Льюиса для связывания многих молекул запаха. Крэбтри еще в 1978 году предположил, что Cu(I) является "наиболее вероятным кандидатом на роль металлорецепторного сайта в обонянии" для сильнопахнущих летучих веществ, которые также являются хорошими лигандами для координации с металлами, таких как тиолы. В 2012 году Чжуан, Мацунами и Блок подтвердили предложение Крэбтри/Суслика на конкретном примере мышиного ОР, MOR244-3, показав, что медь необходима для обнаружения определенных тиолов и других соединений, содержащих серу. Таким образом, используя химическое вещество, связывающее медь в носу мыши и делающее ее недоступной для рецепторов, авторы показали, что мыши не способны обнаруживать тиолы. Однако эти же авторы обнаружили, что у MOR244-3 отсутствует специфический сайт связывания ионов металлов, предложенный Сусликом, вместо этого демонстрируется другой мотив в домене EC2. Предполагается, что нарушение функции металлопротеинов в обонятельной системе может быть связано с нейродегенеративными заболеваниями, основанными на амилоидах.

Вибрационная теория обоняния

В недавней, но весьма спорной интерпретации также предполагалось, что обонятельные рецепторы могут действительно воспринимать различные уровни вибрационной энергии молекулы, а не структурные мотивы посредством механизмов квантовой когерентности. В качестве доказательства было показано, что мухи способны различать две молекулы запаха, отличающиеся лишь изотопом водорода (что существенно меняет уровень вибрационной энергии молекулы). Мухи не только различали дейтерированные и недейтерированные формы пахучего вещества, но и могли обобщать свойство "дейтерированности" на другие новые молекулы. Более того, они обобщили выученное поведение избегания на молекулы, которые не были дейтерированы, но имели значительный сдвиг частоты колебаний, сопоставимый с дейтерированными молекулами, что сложно объяснить дифференциальной физикой деутерирования (см. ниже). Деутерирование изменяет теплоты адсорбции, а также температуры кипения и замерзания молекул (температуры кипения: 100,0 °C для H2O против 101,42 °C для D2O; температуры плавления: 0,0 °C для H2O, 3,82 °C для D2O), pKa (т.е. константу диссоциации: 9,71x10−15 для H2O против 1,95x10−15 для D2O, см. тяжелую воду) и прочность водородных связей. Такие изотопные эффекты чрезвычайно распространены, и поэтому известно, что замещение дейтерием действительно изменяет константы связывания молекул с белковыми рецепторами. Утверждалось, что обонятельные рецепторы человека способны различать дейтерированные и недейтерированные изотопомеры циклопентадеканона, определяя уровень вибрационной энергии. Однако это утверждение было поставлено под сомнение другим исследованием, показавшим, что человеческий рецептор, распознающий мускус, OR5AN1, который надежно реагирует на циклопентадеканон и мускон, не различает изотопомеры этих соединений in vitro. Кроме того, мышиный рецептор, распознающий (метилтио)метантиол, MOR244 3, а также другие отобранные обонятельные рецепторы человека и мыши, реагировали схожим образом на нормальные, дейтерированные и углерод-13 изотопомеры их соответствующих лигандов, что согласуется с результатами, полученными для мускусного рецептора OR5AN1. Таким образом, было заключено, что предложенная вибрационная теория неприменима к человеческому мускусному рецептору OR5AN1, мышиному тиольному рецептору MOR244 3 или другим исследованным обонятельным рецепторам. Кроме того, предлагаемый механизм переноса электронов, связанный с вибрационными частотами пахучих веществ, может быть легко подавлен квантовыми эффектами непахнущих молекулярных колебательных мод. Следовательно, многочисленные данные свидетельствуют против вибрационной теории обоняния. Это более позднее исследование подверглось критике за использование "клеток в чашке Петри, а не в целых организмах" и за то, что "экспрессия обонятельного рецептора в клетках эмбриональной почки человека не адекватно воспроизводит сложную природу обоняния". В ответ авторы второго исследования заявили: "Клетки эмбриональной почки не идентичны клеткам в носу, но если вы изучаете рецепторы, это лучшая система в мире".

In a recent but highly controversial interpretation, it has also been speculated that olfactory receptors might really sense various vibrational energy levels of a molecule rather than structural motifs via quantum coherence mechanisms. As evidence it has been shown that flies can differentiate between two odor molecules which only differ in hydrogen isotope (which will drastically change vibrational energy levels of the molecule). Not only could the flies distinguish between the deuterated and non deuterated forms of an odorant, they could generalise the property of "deuteratedness" to other novel molecules. In addition, they generalised the learned avoidance behaviour to molecules which were not deuterated but did share a significant vibration stretch with the deuterated molecules, a fact which the differential physics of deuteration (below) has difficulty in accounting for. Deuteration changes the heats of adsorption and the boiling and freezing points of molecules (boiling points: 100.0 °C for H2O vs. 101.42 °C for D2O; melting points: 0.0 °C for H2O, 3.82 °C for D2O), pKa (i. e., dissociation constant: 9.71x10−15 for H2O vs. 1.95x10−15 for D2O, cf. heavy water) and the strength of hydrogen bonding. Such isotope effects are exceedingly common, and so it is well known that deuterium substitution will indeed change the binding constants of molecules to protein receptors. It has been claimed that human olfactory receptors are capable of distinguishing between deuterated and undeuterated isotopomers of cyclopentadecanone by vibrational energy level sensing. However this claim has been challenged by another report that the human musk recognizing receptor, OR5AN1 that robustly responds to cyclopentadecanone and muscone, fails to distinguish isotopomers of these compounds in vitro. Furthermore, the mouse (methylthio)methanethiol recognizing receptor, MOR244 3, as well as other selected human and mouse olfactory receptors, responded similarly to normal, deuterated, and carbon 13 isotopomers of their respective ligands, paralleling results found with the musk receptor OR5AN1. Hence it was concluded that the proposed vibration theory does not apply to the human musk receptor OR5AN1, mouse thiol receptor MOR244 3, or other olfactory receptors examined. In addition, the proposed electron transfer mechanism of the vibrational frequencies of odorants could be easily suppressed by quantum effects of nonodorant molecular vibrational modes. Hence multiple lines of evidence argue against the vibration theory of smell. This later study was criticized since it used "cells in a dish rather than within whole organisms" and that "expressing an olfactory receptor in human embryonic kidney cells doesn't adequately reconstitute the complex nature of olfaction ". In response, the authors of the second study state "Embryonic kidney cells are not identical to the cells in the nose but if you are looking at receptors, it's the best system in the world."

Разнообразие

Существует большое количество различных обонятельных рецепторов, в геноме млекопитающих их насчитывается до 1000, что составляет примерно 3% генов в геноме. Однако не все эти потенциальные гены обонятельных рецепторов экспрессируются и функциональны. Согласно анализу данных, полученных в рамках проекта «Геном человека», у человека около 400 функциональных генов, кодирующих обонятельные рецепторы, а остальные 600 являются псевдогенами. Причина такого большого количества различных обонятельных рецепторов заключается в обеспечении системы для различения максимально возможного числа различных запахов. Тем не менее, каждый обонятельный рецептор не распознает единственный запах. Скорее, каждый отдельный обонятельный рецептор широко настроен на активацию рядом схожих молекул-одорантов. Подобно иммунной системе, разнообразие в семействе обонятельных рецепторов позволяет характеризовать молекулы, с которыми организм ранее не сталкивался. Однако, в отличие от иммунной системы, которая генерирует разнообразие посредством in situ рекомбинации, каждый обонятельный рецептор транслируется из конкретного гена, что объясняет значительную долю генома, выделенную для кодирования генов OR. Более того, большинство запахов активируют более одного типа обонятельных рецепторов. Поскольку число комбинаций и перестановок обонятельных рецепторов очень велико, обонятельная система способна обнаруживать и различать огромное количество молекул-одорантов. Деорфанизация обонятельных рецепторов может быть осуществлена с использованием электрофизиологических и визуализационных методов для анализа профилей ответа отдельных сенсорных нейронов на наборы запахов. Эти данные открывают путь к расшифровке комбинаторного кода восприятия запахов. Такое разнообразие экспрессии OR максимизирует возможности обоняния. Как моноаллельная экспрессия OR в отдельном нейроне, так и максимальное разнообразие экспрессии OR в популяции нейронов необходимы для специфичности и чувствительности обонятельного восприятия. Таким образом, активация обонятельных рецепторов представляет собой задачу двойного назначения. Используя математическое моделирование и компьютерные симуляции, Тянь и соавторы предложили эволюционно оптимизированный трехслойный механизм регуляции, включающий зональную сегрегацию, преодоление эпигенетического барьера в сочетании с петлей отрицательной обратной связи и этап конкуренции энхансеров. Эта модель не только воспроизводит моноаллельную экспрессию OR, но и объясняет, как обонятельная система максимизирует и поддерживает разнообразие экспрессии OR.

There are a large number of different odor receptors, with as many as 1,000 in the mammalian genome which represents approximately 3% of the genes in the genome. However, not all of these potential odor receptor genes are expressed and functional. According to an analysis of data derived from the Human Genome Project, humans have approximately 400 functional genes coding for olfactory receptors, and the remaining 600 candidates are pseudogenes. The reason for the large number of different odor receptors is to provide a system for discriminating between as many different odors as possible. Even so, each odor receptor does not detect a single odor. Rather each individual odor receptor is broadly tuned to be activated by a number of similar odorant structures. Analogous to the immune system, the diversity that exists within the olfactory receptor family allows molecules that have never been encountered before to be characterized. However, unlike the immune system, which generates diversity through in situ recombination, every single olfactory receptor is translated from a specific gene; hence the large portion of the genome devoted to encoding OR genes. Furthermore, most odors activate more than one type of odor receptor. Since the number of combinations and permutations of olfactory receptors is very large, the olfactory receptor system is capable of detecting and distinguishing between a very large number of odorant molecules. Deorphanization of odor receptors can be completed using electrophysiological and imaging techniques to analyze the response profiles of single sensory neurons to odor repertoires. Such data open the way to the deciphering of the combinatorial code of the perception of smells. Such diversity of OR expression maximizes the capacity of olfaction. Both monoallelic OR expression in a single neuron and maximal diversity of OR expression in the neuron population are essential for specificity and sensitivity of olfactory sensing. Thus, olfactory receptor activation is a dual objective design problem. Using mathematical modeling and computer simulations, Tian et al proposed an evolutionarily optimized three layer regulation mechanism, which includes zonal segregation, epigenetic barrier crossing coupled to a negative feedback loop and an enhancer competition step
This model not only recapitulates monoallelic OR expression but also elucidates how the olfactory system maximizes and maintains the diversity of OR expression.

Эволюция

Было показано, что семейство генов обонятельных рецепторов у позвоночных эволюционирует посредством геномных событий, таких как дупликация генов и конверсия генов. Доказательством роли тандемной дупликации служит тот факт, что многие гены обонятельных рецепторов, принадлежащие к одному и тому же филогенетическому кладу, расположены в одном и том же геномном кластере. Организация геномных кластеров OR хорошо сохранена между человеком и мышью, несмотря на значительную разницу в количестве функциональных генов OR у этих двух видов. Такая эволюция «рождения и смерти» привела к объединению сегментов нескольких генов OR для генерации и дегенерации конфигураций связывающего участка для запахов, создавая новые функциональные гены OR, а также псевдогены. По сравнению со многими другими млекопитающими, у приматов относительно небольшое количество функциональных генов OR. Например, с момента дивергенции от их последнего общего предка (MRCA), мыши приобрели в общей сложности 623 новых гена OR и потеряли 285 генов, в то время как люди приобрели только 83 гена, но потеряли 428 генов. У мышей в общей сложности 1035 кодирующих белок генов OR, у человека – 387 кодирующих белок генов OR. Однако недавние данные опровергли гипотезу о приоритете зрения, поскольку она основывалась на вводящих в заблуждение данных и предположениях. Гипотеза предполагала, что количество функциональных генов OR может быть связано с обонятельной способностью животного. Приматы не обладают наибольшим числом функциональных генов OR. Более того, гипотеза о приоритете зрения предполагала резкую потерю функциональных генов OR на ветви OWM, но этот вывод был основан на данных низкого разрешения, полученных только для 100 генов OR. Исследования с высоким разрешением показывают, что приматы теряли гены OR на каждой ветви от MRCA до человека, что указывает на то, что дегенерацию репертуара генов OR у приматов нельзя объяснить только изменением способностей зрения. Было показано, что отрицательная селекция все еще ослаблена в современных человеческих обонятельных рецепторах, что позволяет предположить, что плато минимальной функции у современных людей еще не достигнуто, и поэтому обонятельная способность может продолжать снижаться. Это считается первым намеком на будущую генетическую эволюцию человека.

The olfactory receptor gene family in vertebrates has been shown to evolve through genomic events such as gene duplication and gene conversion. Evidence of a role for tandem duplication is provided the fact that many olfactory receptor genes belonging to the same phylogenetic clade are located in the same gene cluster. To this point, the organization of OR genomic clusters is well conserved between humans and mice, even though the functional OR count is vastly different between these two species. Such birth and death evolution has brought together segments from several OR genes to generate and degenerate odorant binding site configurations, creating new functional OR genes as well as pseudogenes. Compared to many other mammals, primates have a relatively small number of functional OR genes. For instance, since divergence from their most recent common ancestor (MRCA), mice have gained a total of 623 new OR genes, and lost 285 genes, whereas humans have gained only 83 genes, but lost 428 genes. Mice have a total of 1035 protein coding OR genes, humans have 387 protein coding OR genes. However, recent evidence has rendered the vision priority hypothesis obsolete, because it was based on misleading data and assumptions. The hypothesis assumed that functional OR genes can be correlated to the olfactory capability of a given animal. do not have the largest number of functional OR genes. More importantly, the vision priority hypothesis assumed a drastic loss of functional OR genes at the branch of the OWMs, but this conclusion was based by low resolution data from only 100 OR genes. High resolution studies instead agree that primates have lost OR genes in every branch from the MRCA to humans, indicating that the degeneration of OR gene repertories in primates cannot simply be explained by the changing capabilities in vision. It has been shown that negative selection is still relaxed in modern human olfactory receptors, suggesting that no plateau of minimal function has yet been reached in modern humans and therefore the olfactory capability might still be decreasing. This is considered to provide a first clue to the future human genetic evolution.

Открытие

В 2004 году Линда Б. Бак и Ричард Аксель получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за их работу над обонятельными рецепторами. В 2006 году было показано, что существует еще один класс обонятельных рецепторов, известных как следовые аминоассоциированные рецепторы (TAAR), для обнаружения летучих аминов. За исключением TAAR1, все функциональные TAAR у человека экспрессируются в обонятельном эпителии. Также был идентифицирован третий класс обонятельных рецепторов, известных как вомероназальные рецепторы; вомероназальные рецепторы предположительно функционируют как рецепторы феромонов. Как и во многих других GPCR, для обонятельных рецепторов до сих пор отсутствуют экспериментально определенные структуры на атомном уровне, и структурная информация основана на методах гомологического моделирования. В 2023 году была определена структура OR51E2 – первое установление структуры любого человеческого обонятельного рецептора. Однако ограниченная функциональная экспрессия обонятельных рецепторов в гетерологичных системах существенно затруднила попытки их деорфанизации (определения лигандов и анализа профилей ответа отдельных обонятельных рецепторов). Впервые это было выполнено с использованием генетически модифицированного рецептора OR I7 для характеристики «обонятельного пространства» популяции нативных альдегидных рецепторов.