Одоранто-связывающие белки у насекомых

 

Я уже упоминал, что параллельно с нашим открытием первого ОСБ млекопитающих Ричард Вот из Сиэттла опубликовал материал об открытии маленького растворимого белка на антеннах гигантского мотылька Antheraea polyphemus. Этот белок синтезируется только на антеннах самцов и связывает половой феромон этого вида, длинноцепочный ацетат.

Какое-то время мы и не подозревали об открытиях друг друга. У мира насекомых мало общего с миром млекопитающих, так что мы с Ричардом просто не пересекались на общих собраниях и конференциях. Встретились мы только через десять лет. В эру интернета с ее мгновенными коммуникациями и почти столь же быстрыми путешествиями такое трудно себе даже представить. Всего каких-нибудь 30 лет назад наука, конечно, двигалась вперед, но делала это куда медленнее и расслабленнее, чем сейчас. Несколько лет мы с Ричардом даже не пытались установить контакт, честно полагая, что наши области никак друг с другом не связаны.

На самом деле все было ровно наоборот. ОСБ насекомых оказались очень интересными; вскоре их уже повсеместно считали эквивалентом наших ОСБ млекопитающих. Между ними нашли несколько черт сходства, связанных не со структурой, а с функциями ОСБ и у млекопитающих, и у насекомых – маленькие белки (150–160 и 130–140 аминокислот соответственно), легкорастворимые, высококонцентрированные в ольфакторных органах и способные связывать молекулы пахучих веществ и феромонов.

Зато, если посмотреть на последовательности аминокислот, впору решить, что между двумя этими классами белков нет вообще ничего общего. Позднее, в 2000 году, когда был кристаллизован первый ОСБ насекомых (феромоно-связывающий белок, ФСБ, тутового шелкопряда, Bombyx mori) и разрешена его трехмерная структура, стало ясно, что укладывается он совершенно по-другому, чем ОСБ млекопитающих, так как состоит в основном из α-спиральных доменов [5].

Однако, подобно коровьему и свиному ОСБ, ФСБ тутового шелкопряда обладает очень компактной структурой, как бы обнимающей связывающую полость для гидрофобных лигандов – в данном случае для полового феромона, бомбикола (рис. 24).

Мы уже упоминали выдающуюся стабильность ОСБ млекопитающих в частности и липокалинов в целом, а также то, что эта высокая рефрактивность к денатурации и разложению превращает эти белки в мощные аллергены. То же самое можно сказать и об ОСБ насекомых, стабильность которых даже еще выше благодаря присутствию трех дисульфидных связей, вплетенных в очень прочную сеть. Неудивительно, что и их аллергичность тоже очень высока.

Поначалу изучение этих белков шло крайне медленно и ограничивалось видами с большими антеннами. Выбор гигантского мотылька Antheraea polyphemus на самом деле размером антенн и объяснялся.

 

Рисунок 24. Трехмерная структура типичного ОСБ насекомых, феромоно-связывающего белка тутового шелкопряда, Bombyx mori; и типичного хемосенсорного белка пустынной саранчи, Schistocerca gregaria. В обоих случаях белок упакован в очень компактную структуру, состоящую преимущественно из α-спиралей, но разную по форме. В случае ОСБ три дисульфидных мостика между несоседними цистеинами дополнительно укрепляют общую схему.

 

Сам этот факт и исключительное обилие ФСБ дали ученым возможность изолировать больше десяти микрограммов белка у одной-единственной мужской особи. Возможно, звучит не слишком впечатляюще, но такого количества биоматериала хватит на очень много экспериментов. В сравнении с другими белками антенн запасы ФСБ действительно внушительны.

ОСБ млекопитающих расположены в носовой слизистой, куда выходят реснички ольфакторных нейронов – это так называемое перирецепторное пространство. Они участвуют в перирецепторном процессе, то есть во всем, что происходит с молекулами пахучих веществ до того, как они достигнут ресничек и повстречаются с рецепторами их мембраны.

У насекомых анатомия хемосенсорных органов совершенно другая. Одно из основных отличий насекомых от позвоночных заключается в скелете – жесткой структуре, поддерживающей и защищающей мягкие части организма. Позвоночные носят свой скелет внутри, а насекомые – снаружи, как броню. Отсюда проистекают и разные стратегии поддержания водной среды вокруг сенсорных нейронов. Нет нужды объяснять, почему водная среда так важна для поддержания жизни в нежных хвостиках нейронов и активности белков у них на поверхности. Позвоночные развили у себя толстую слизистую оболочку – что-то вроде желе, в котором огромные молекулы полисахаридов связывают множество молекул воды, радикально сокращая испарение, несмотря на то что сквозь назальные структуры постоянно проходит воздух. У насекомых же окончания сенсорных нейронов, дендриты, защищены слоем жесткой кутикулы, которая одновременно сохраняет влажность внутренней среды. Устройство ольфакторной сенсиллы, единичного сенсора из тысяч, расположенных на антенне насекомого, показано на рисунке 25.

Твердая кутикулярная стенка сенсиллы защищает дендриты ольфакторных нейронов, погруженных в вязкое желе, где содержится приблизительно 100 мг/мл одоранто-связывающих белков. Производство таких количеств белка для одного крошечного насекомого стоило бы дикого расхода энергии – если бы не требовалось для каких-то жизненно важных целей.

Этот и другие доводы говорят в пользу того, что ОСБ и правда следует считать основными действующими лицами всего процесса обоняния у насекомых. Увы, что именно они делают и как, до сих пор остается не вполне понятным.

 

Рисунок 25. Схематичное изображение ольфакторной сенсиллы у насекомых. Дендриты ольфакторных нейронов заключены в кутикулярный мешочек, заполненный лимфой на водной основе. В основном лимфа состоит из одоранто-связывающих белков, которые синтезируются и рециклируются тремя специализированными клетками, расположенными у основания сенсиллы. Отверстия в кутикулярной стенке позволяют молекулам пахучего вещества проникать в сенсиллу и стимулировать ольфакторные нейроны; при этом вода из-за своего поверхностного натяжения наружу не выливается.

 

Поначалу исследованиям в этой сфере сильно мешал маленький размер подопытных, но с распространением методов молекулярной биологии это ограничение было снято, и многие сотни видов стали изучаться на предмет одоранто-связывающих белков, а не так давно свою лепту внесла и расшифровка генома, которая легла в основу не одного эксперимента. В последние несколько лет новые техники секвенцирования позволили идентифицировать все гены, присутствующие в любом данном органе или организме, – недорого и за самое короткое время.

Идентификация новых последовательностей больше не конечная цель процесса, а самое его начало. Экспериментальная работа сейчас нацелена в основном на понимание функций белков. Ученые берут последовательности, способные представлять особый интерес, заражают белком бактерии (обычно в высокорепродуктивных количествах) и изучают продукт с функциональной и структурной точки зрения. Дополнительную информацию о физиологической роли того или иного белка можно получить, заблокировав соответствующий ген и проверив эффект на биологическом, физиологическом и поведенческом уровне.

Итак, стимулом для исследований обоняния у насекомых стали новые технологии и та практическая польза, которую может принести возможность контролировать популяции вредителей сельского хозяйства и кровососущих насекомых вроде комаров. На самом деле исследования ОСБ у насекомых ведутся гораздо активнее, чем у млекопитающих и вообще у позвоночных. Увы, несмотря на огромные объемы информации – как структурного, так и функционального толка, – собранной с рекомбинантными белками, мы еще до сих пор слабо понимаем, как именно белки участвуют в идентификации химических стимулов и зачем они нужны насекомым в таких беспрецедентных количествах. Позже мы еще вернемся к этому вопросу – после того, как представим вам главных специалистов по переводу и интерпретации химических сигналов, а именно ольфакторные белки-рецепторы, сидящие на мембране хемосенсорных нейронов.

 

Хемосенсорные белки

 

Пришло время поближе познакомиться еще с одним персонажем, участвующим в хемодетекции. В лимфе хемосенсилл у насекомых (то есть в той же самой среде, из которой удалось изолировать ОСБ) был обнаружен еще один класс маленьких растворимых белков. Как и ОСБ, они присутствуют там в очень высоких концентрациях и способны связывать одоранты и феромоны.

Эти белки получили название хемосенсорных (ХСБ), что указывает на их общую роль в хеморецепции, без ограничения одним только обонянием. В самом начале эти белки были найдены на контактных сенсиллах и считались отвечающими за вкус, но потом их выявили и на ольфакторных.

Структурно эти белки состоят из α-спиральных доменов, организованных в трехмерные укладки, совсем непохожие на ОСБ насекомых (см. рис. 24). ХСБ тоже очень компактны и стабильны, что вместе с липокалинами и ОСБ насекомых открывает им обширные технологические перспективы.

 

Не обонянием единым

 

Уникальная стабильность и эффективность всех трех классов изученных нами белков, ОСБ млекопитающих, ОСБ насекомых и ХСБ, и их способность связывать широкий спектр химикатов, сравнимый с количеством встречающихся в природе одорантов, видимо, и отвечают за то, что эти белки содержатся во многих органах и тканях помимо носа и хемосенсилл.