Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу - Энн-Софи Барвич

до своих клубочков. Соответственно, каждый рецепторный нейрон должен расти по заранее обозначенной траектории от эпителия к луковице. Скажем, нейрон с рецептором R1 направляется к конкретному месту в луковице – к клубочку {GR1}. Другой нейрон с рецептором R2 направляется к клубочку {GR2} и так далее. Однако серия экспериментов поставила под сомнение справедливость такой гипотезы. Несколько нестыковок, и идея об общей предопределенности строения луковицы распалась.

Первый удар по идее о стереотипном строении луковицы был нанесен в ходе еще одного эксперимента Момбертса[326]. Казалось бы, это был рутинный эксперимент, но результаты удивили всех. «Мне повезло, и я был там, когда они это делали, – рассказывает Фаерштейн. – Большая часть работы, которую мы здесь осуществили, была связана со схемой проведения сигнала в целом. Не со схемой проведения сигнала в луковице, а с тем, как весь эпителий подключен к луковице. Почему все аксоны с одинаковым рецептором собираются в пучок в клубочке? Считалось общепринятым, что так или иначе эти рецепторы находили что-то, что помогало их аксонам прокладывать путь к конкретным клубочкам». Но, как подчеркивает Фаерштейн, «Питер показал, что это, по-видимому, не так».

Эксперимент Момбертса следовал простому плану: выбрать один потенциально важный фактор, выделить его и изменить. А затем посмотреть на результат.

В лаборатории Момбертса генно-инженерным способом произвели три типа мышей с зелеными флуоресцентными белками (GFP, Green fluorescent protein), присоединенными к специфическим генам рецепторов. Флуоресцентные белки позволяют ученым наблюдать за ходом развития аксона. У одной популяции мышей белок GFP был соединен с геном рецептора I7, у другой – с геном M20, а у третьей ген M20 был заменен на ген I7 и связан с GFP. Куда направятся модифицированные нейроны, в которых ген M20 заменен геном I7?

«Следовало предположить, что они направятся к клубочку I7, – комментирует Фаерштейн. – Поскольку мы знаем, что идея состояла в том, чтобы доказать ключевую роль рецептора в подведении аксона к правильному клубочку. А единственное, что изменили – это рецептор». Вопреки ожиданиям, нейроны не пришли к клубочку I7. В таком случае они направились к клубочку M20? «Тоже нет! – восклицает Фаерштейн. – Выяснилось, что [модифицированные нейроны] формируют клубочки тут, или здесь, или там. – Фаерштейн случайным образом расставляет точки на рисунке луковицы. – Вообще непонятно, какие тут закономерности!»

Это был первый удар по идее о стереотипном строении луковицы. Вскоре последовал второй. Что произойдет, если заменить ген рецептора запаха геном, кодирующим необонятельный рецептор, например, геном рецептора из того же белкового семейства (генетически родственного)? «Это был последний гвоздь в крышку гроба, – комментирует Фаерштейн. – Результат, о котором почти не говорят, был получен Полом Фейнштейном»[327]. Фейнштейн, бывший постдокторант из лаборатории Момбертса, заменил ген рецептора запаха I7 геном β2-адренэргического рецептора. К семейству β2-адренэргических рецепторов относятся рецепторы адреналина; они тоже принадлежат к надсемейству рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCRs), и поэтому достаточно похожи на обонятельные рецепторы по топологии и структуре. Все GPCRs имеют семь трансмембранных спиралей и обладают заметным сходством аминокислотных последовательностей. Однако их функции совсем разные. Адреналиновые рецепторы регулируют активность симпатической нервной системы. Обонятельные рецепторы связывают молекулы запаха.

Модифицированным нейронам Фейнштейна идти было некуда. Как поясняет Фаерштейн, у них «больше не было рецептора запаха, который привел бы их куда-нибудь. На свете не могло существовать мыши с β2-адренэргическим клубочком, поджидающим свои аксоны, не говоря уже об аксонах клеток с β2-адренэргическим рецептором». И вновь все были удивлены. Все нейроны с геном рецептора адреналина соединились в одном клубочке луковицы, как все другие нейроны с генами рецепторов запаха. «Это окончательно показывает, что карты не существует, – уточняет Фаерштейн. – На поверхности луковицы нет предопределенной карты, определяющей, куда должны прийти эти аксоны. Если и есть какая-то карта, она индуцированная. Она вызвана аксонами самих клеток».

Второй удар. В этих двух экспериментах с заменой генов рецепторов одорантов другими генами обонятельных рецепторов или других GPCRs были созданы аксоны, для которых не нашлось места на генетически предопределенной карте. Что происходит, если вы полностью удаляете гены рецепторов у каких-то нейронов? Их аксоны должны направляться куда-то в луковицу, но без проводника. «Они не образуют клубочки, – отвечает Фаерштейн. – Они просто куда-то идут». Не говорит ли это о наличии генетически предопределенной карты связей? «Первая интерпретация была такой: поглядите, [чувствительные нейроны] не могут дойти до цели, поскольку у них больше нет рецептора. Они просто идут куда-то. Они не знают, что им делать». Но вскоре эта интерпретация отпала. Выяснилось, что нельзя отключить ген обонятельного рецептора. Когда вы отключаете один, нейрон быстро начинает экспрессировать вместо него ген другого рецептора (чувствительные нейроны имеют набор генов для замены, и из этого набора выбор осуществляется случайным образом).

«Интересно, – продолжает Фаерштейн, – что эти аксоны не выходят за пределы луковицы. Они остаются в луковице». Таким образом, если клетка не экспрессирует ген одного рецептора, она подбирает какой-то другой. И это не полностью случайный выбор. Клетка обзаводится не любым рецептором из всего диапазона (из тысячи рецепторов у мыши), но одним из ограниченного круга. «Это некая группа рецепторов, которые каким-то образом контролируются совместно. И следовательно, все [нейроны] идут в одну и ту же точку в луковице. Но в какое конкретно место, им безразлично. Этот эксперимент нужно было провести несколько лет назад, отключая разные рецепторы и наблюдая, сколько в луковице таких участков». Казалось, что в экспериментах с отключением генов аксоны движутся хаотично, но на самом деле нейроны управляются несколькими генами.

Третий удар.

Эта серия экспериментов с заменой генов препятствовала принятию идеи о стереотипной организации луковицы. Не существует заранее предустановленного расположения точек, к которым должны прийти аксоны чувствительных нейронов. «Проблема с идеей карты в том, что никакой заранее предопределенной карты на поверхности луковицы нет, – подтверждает Фаерштейн. – И это особенность обонятельной системы, насколько мы можем утверждать на настоящий момент. Это не так для всех остальных сенсорных систем». Очевидно, что важнейшую роль играет генетика рецепторов. Менее очевидно, какой механизм движет развитием аксонов. «Является ли образование [карты] результатом того, как располагаются аксоны? Я имею в виду, что какая-то карта образуется, но функциональна ли она? – Фаерштейн выдерживает паузу. – Я этого не знаю».

Карта как артефакт развития

«Может быть, это просто карта развития, – предполагает Фаерштейн. – Это лишь простейший путь для развития [обонятельной луковицы]». Аксоны притягиваются друг к другу под влиянием рецепторов. Эта гипотеза, как замечает Фаерштейн, «впервые возникла в лаборатории Питера Момбертса, и мы тоже ею воспользовались. Она в какой-то степени стала результатом общения между нашими лабораториями, а также взаимодействия с Чарли Гриром». Итоговая гипотеза такова, что «на поверхности обонятельной луковицы нет заранее сформированных