Специальные инструменты для восприятия феромонов

 

Вомероназальный орган, о котором мы уже говорили ранее, – это небольшая полость системы «тупик», имеющаяся у большинства позвоночных и предназначенная для регистрации специфичных для данного вида феромонов. Это практически второй нос или, если угодно, третий основной хеморецепторный орган. Подобно носу и языку, эта область оснащена рецепторами – все теми же G-парными 7-ТМ белками. На самом деле в вомероназальном органе есть два класса рецепторов – V1R и V2R. Первый класс ближе по размеру и структуре к ольфакторным и вкусовым рецепторам, хотя их аминокислотные цепочки совсем другие. Второй содержит, помимо области с семью трансмембранными спиралями, еще один домен, такой же крупный, как сердцевина белка, и выходящий во внеклеточное пространство. Эта часть белка считается потенциальной связывающей зоной для феромонов белковой природы. Белки с феромональными свойствами, широко распространенные у дрожжевых грибов и рептилий, судя по всему, в ходу и у мышей [5]. В главе шестой мы уже говорили о том, что ОМБ, мышиные мочевые белки, запускают физиологические изменения у юных самок, ускоряя их созревание. Не так давно еще один член того же семейства, дарсин (названный так в честь мистера Дарси, героя «Гордости и предубеждения» Джейн Остин), по сообщениям ученых, показал феромональную активность [6].

Но что насчет людей? У нас есть такой вомероназальный орган? Это очень важный вопрос, так как из него вытекает еще один – о самой возможности феромональной коммуникации у нашего вида. Но подождите, обо всем этом мы поговорим позже, в десятой главе.

 

Вкус еды

 

Мы уже говорили о том, что в отличие от обонятельного вкусовой язык основан на очень простом алфавитном коде, состоящем всего из пяти букв. Абсолютно все вкусовые ощущения можно отнести к сладким, горьким, соленым, кислым и умами. Столь же простая система повторяется и на уровне белков-рецепторов, эти ощущения регистрирующих. Здесь мы снова встречаем 7-ТМ рецепторы, сходные с ольфакторными и тоже парные G-белкам. Процедура, ведущая к открытию ионных каналов и генерации электрического потенциала, тоже идентична ольфакторной.

Но сама система гораздо проще: один-единственный рецептор для сладких соединений, один – для умами и несколько – для горьких веществ. С соленым и кислым вкусом все еще элементарнее: в этих случаях ионные каналы активируются непосредственно солями и кислотами.

 

Горечь как предупреждающий сигнал

 

Горький вкус часто служит предупреждающим сигналом, так как связан с потенциально токсичными веществами. Избегающее поведение как реакция на горький вкус развилось эволюционно по той простой причине, что особи, не воспринимающие вкус ядовитых растений (или считающие его приятным), заканчивали жизнь раньше, чем успевали передать свои гены следующему поколению. В природе встречаются тысячи алкалоидов и других горьких на вкус соединений.

У разных видов разное количество вкусовых рецепторов: от трех у кур до 50 у амфибий. У человека их по меньшей мере 25. Они называются T2R (вкусовыми рецепторами класса 2); за аббревиатурой обычно следует цифра. Эти рецепторы находятся во вкусовых почках желобовидных сосочков, расположенных в задней части языка, а их стратегия во многом схожа с хеморецепцией у червячка. Вместо одного типа белка-рецептора на сенсорную клетку, как в обонянии, мы имеем здесь сразу по несколько горьких рецепторов в одной вкусовой почке. Информация вследствие этого становится размытой и неспецифичной, но само сообщение звучит предельно ясно: от этого вещества нужно держаться подальше. Простая система иногда бывает преимуществом.

Тогда почему же, спросите вы, многие ценят горький вкус темного шоколада, кофе, некоторых овощей и диджестивов? За долгие годы эволюции мы узнали, что немало горьких продуктов совершенно безопасны для здоровья, а культура научила нас их любить. Заметьте, что дети не любят ничего горького, а вот сладкое обожают с рождения. Как же нам удается различать оттенки горечи? Хотя в одной вкусовой почке расположено сразу по несколько рецепторов, не все они собраны в пучок, так что некоторое различение все-таки возможно. Однако отличить, скажем, темный шоколад от кофе без сахара нам, скорее всего, помогают ольфакторные ноты, сопровождающие вкусовую основу, – именно они обогащают вкусы и делают каждый из них уникальным.

 

Сладкий вкус и умами служат индикаторами хорошей пищи

 

Сладкий вкус и умами (вкус глутамата, доминирующего в мясном бульоне) регистрируются даже еще более простой системой. У нас всего три рецептора первого типа, T1R 1, T1R 2 и T1R 3. Эти три элемента формируют гетеродимеры, представляющие собой уже реальные активные рецепторы: сочетание T1R 1 и T1R 3, например, регистрирует умами, а димер T1R 2 и T1R 3 – химические вещества со сладким вкусом.

Довольно неожиданно, что один-единственный вкусовой рецептор работает с таким широким спектром сладких веществ. Сахара, такие как глюкоза и сахароза, структурно очень сильно отличаются от сахарина, аспартама и цикламата – искусственных подсластителей, которые в 50–300 раз слаще сахарозы. Белки (например, тауматин и монелин) тоже могут быть очень сладкими – в 1000 раз слаще сахарозы. Всем этим структурам, разным по размеру, полярности и химическим группам, определенно нужен целый ассортимент специализированных рецепторов – таково было общепринятое мнение, разбитое в пух и прах средствами молекулярной биологии и геномного секвенцирования, продемонстрировавшими, что все эти химические вещества улавливаются только одним рецептором. Позднее молекулярное моделирование наглядно показало, каким образом это осуществляется на практике.

 

Соли, кислоты и прямые каналы

 

Еще две вкусовые модальности, соленая и кислая, не работают ни с одним рецептором вышеописанного типа. Они представляют собой просто ионные каналы, измеряющие концентрацию солей и кислот. Когда мы едим что-нибудь соленое, концентрация ионов натрия снаружи клеток нашего языка увеличивается и становится выше, чем внутри. Тогда в клетках открываются избирательные ионные каналы, пропускающие ионы натрия внутрь, балансируя таким образом концентрации по обе стороны мембраны. Это меняет электрический заряд клетки и порождает сигнал.

Точно так же мы регистрируем избыток ионов водорода и получаем сигнал, который толкуем как кислый вкус. Да, у нас в языке имеется встроенный измеритель кислотности. Поэтому наш вкус не умеет распознавать разные кислоты – он не отличит уксусную кислоту от лимонной, – а только измеряет уровень кислотности как таковой. Поймите меня правильно: мы вполне в состоянии ощутить разницу между уксусом и лимонным соком (как и между разными сортами уксуса), но только благодаря обонянию. Без сопутствующих летучих веществ, стимулирующих обоняние, все кислые соединения были бы для нас решительно на одно лицо.

Если вы желаете узнать больше о молекулярных аспектах вкуса, рад предложить вашему вниманию несколько превосходных исследований [7].

 

И не только в носу

 

Одной из важнейших гипотез, оказавшихся полезными Ричарду Акселю и Линде Бак в поиске ольфакторных рецепторов, стало предположение, что соответствующие гены должны присутствовать только в обонятельных тканях или, по крайней мере, в хемосенсорных органах. Однако вскоре после их эпохального открытия был опубликован материал, сообщавший, что ольфакторные рецепторы неожиданно обнаружились в клетках спермы [8]. Принять этот необычный факт оказалось нелегко; первым делом все решили, что в эксперименте были погрешности. Однако данные были предельно ясны и основательны, к тому же их неоднократно подтвердили последующие исследования.

Как только наука смирилась с открытием, догадаться о том, что именно ольфакторные рецепторы делают в сперме, было уже несложно. Обоняние – только один из аспектов хеморецепции. Клетки коммуницируют друг с другом и с окружающей средой. Само формирование живого организма напрямую зависит от этой сети сообщений, которыми постоянно обмениваются его структурные части. Клетки собираются вместе, чтобы создать тот или иной орган, и им нужно договориться между собой, назначить роли, распределить обязанности. С этой целью они начинают дифференцироваться и строить сложную систему. Точно так же муравьи общаются на химическом языке, раздавая и принимая задачи и выполняя разные функции в пределах макросообщества муравейника, образуя таким образом что-то вроде суперорганизма, о котором мы уже говорили в главе пятой.

 

Клетки спермы руководствуются запахом

 

Сперматозоиды ищут путь к яйцеклетке – в этом их назначение и судьба. Поиск обычно бывает долог, труден и осложнен серьезной конкуренцией. Только один из миллионов, отправившихся в путь, в конце добьется успеха. Чтобы найти самую короткую дорогу, требуется эффективный компас – или лучше будет сказать, навигатор. Такой навигатор существует и имеет химическую природу: сперматозоиды плывут к цели, руководствуясь нюхом, – подобно бактериям, стремящимся к пищевому градиенту (этот процесс называется хемотаксисом).

Но почему изо всех рецепторов они решили пользоваться именно ольфакторными? А почему бы им и не пользоваться ольфакторными рецепторами, раз они так эффективны и их гены уже присутствуют в ДНК? Природа, как вы помните, вообще склонна решать разные задачи одними и теми же способами, если эти способы оказались эффективными и достаточно гибкими с функциональной точки зрения.

Но тогда возникает вопрос: что же сперматозоиды чуют? Что они улавливают этими своими рецепторами? Возможно, термин «обоняние» в этом контексте не совсем подходит, но они и в самом деле ощущают присутствие определенных молекул – своеобразных дорожных знаков, отмечающих правильный маршрут к яйцеклетке. Довольно странно, что в эпоху геномов, компьютеров и нанотехнологий мы все еще не знаем, как пахнет яйцеклетка для сперматозоида. Тем не менее она сама или ее непосредственное окружение наверняка испускает некие молекулы, привлекающие сперматозоиды, – а иначе они не плыли бы с такой скоростью в нужном направлении.

Один из пионеров ольфакторных исследований, Ханс Хатт, и его сотрудник, Марк Шпер, из Бохумского университета (Германия) попытались подойти к этому вопросу окольным путем. Они взяли специфический ольфакторный рецептор человека, который сумели выделить из некоторых клеточных линий, и идентифицировали ряд химических веществ, способных его активировать. По странному совпадению, лучшим лигандом оказался бургеональ, синтетический компонент с ароматом ландыша, присутствующий во многих парфюмерных формулах (рис. 28).

Тот факт, что этот одорант может стимулировать рецептор, Хатт и Шпер продемонстрировали на живых клетках, наблюдая прохождение ионов кальция через ионные каналы, открытые ответом рецептора на одорант [9]. Позднее уже другие исследования доказали, что сперматозоиды действительно плывут на этот запах. Подобный же сценарий существует у мышей. Тем самым мы практически идентифицировали природный запах, заставляющий сперматозоиды неистово устремляться к яйцеклетке. Увы, химическая природа этого явления по сей день остается невыясненной.

 

Рисунок 28.  Лиганды ольфакторных рецепторов, не участвующих в хеморецепции. Бургеональ – отличный лиганд для ольфакторных рецепторов, присутствующих в клетках спермы. По всей вероятности, он участвует в хемотаксисе сперматозоида к яйцеклетке. Сандалор связывается с другим человеческим ольфакторным рецептором, участвующим в раке кожи.

 

 

Ольфакторные рецепторы и рак

 

У ольфакторных рецепторов спермы оказался в запасе еще один сюрприз. Есть доказательства в пользу того, что они помогают контролировать рак простаты. Еще один ольфакторный рецептор, не тот, который обсуждался до сих пор, был обнаружен сразу и в простате, и в носу. Он известен как биологический маркер опухолевых образований простаты: его экспрессия в тканях подобного рода значительно возрастает.

Та же самая группа Ханса Хатта, изучавшая сперматозоиды, решила поглубже исследовать механизм его действия и выяснила, что он умеет связывать ряд стероидов и ряд терпеноидов. В особенности β-ионон, натуральное соединение с запахом фиалки (рис. 9), которое оказалось ингибитором этого рецептора и способно угнетать разрастание клеток предстательной железы при добавлении к их культуре [10].

Возможно, в будущем нам откроются способы лечить опухоли с помощью ароматов и цветочных экстрактов. Эта идея больше не кажется плодом фантазии.

А тогда, в 2004 году, вышла статья, где говорилось о способности β-ионона и гераниола сокращать опухолевые образования груди, хотя с ольфакторными рецепторами этот феномен тогда никто не увязал.

Еще одно, более недавнее исследование привело доказательства в пользу того, что ольфакторные рецепторы и вправду могут влиять на разрастание клеток. На сей раз команда Ханса Хатта исследовала клетки кожи и обнаружила еще один ольфакторный рецептор, также обитающий в носу и чувствительный к сандаловому одоранту, сандалору (рис. 28). Будучи добавлен к клеточной культуре, он стимулировал ее дифференциацию, а помещенный на рану – способствовал исцелению. Ученые наглядно продемонстрировали, что эти эффекты связаны с ольфакторным рецептором: все они немедленно прекратились, стоило только заблокировать соответствующий ген и тем самым синтез рецептора [11].

 

Ольфакторные рецепторы везде и всюду

 

В последнее время многие исследователи сообщают об обнаружении ольфакторных и вкусовых рецепторов в самых разных тканях и органах. Так, рецепторы горького вкуса нашлись в трахее и других клетках дыхательных путей. Те же исследования показали ряд лечебных эффектов горьких соединений в терапии астмы и позволили предположить, что эти вещества можно использовать как новый вид лекарств.

Присутствие вкусовых рецепторов в желудочно-кишечном тракте связали с сенсорными функциями пищеварительной системы. Еще даже до этих исследований рецепторы нейротрансмиттеров были найдены в кишечнике, из-за чего этот орган даже прозвали вторым мозгом.

Вкусовые и обонятельные рецепторы были обнаружены в сердце, легких, поджелудочной железе, почках и некоторых областях мозга. Кажется, куда ни глянь в человеческом организме, обязательно их найдешь. По этой причине кое-кто даже полагает, что название «обонятельные» и «вкусовые» никуда не годится, хотя того факта, что абсолютное большинство ольфакторных рецепторов находится все-таки в носовой полости, никто не отменял. Как и в случае с ОСБ, чье семейство и у насекомых, и у млекопитающих включает несколько разновидностей, функции которых никак не связаны с хемодетекцией, на ольфакторные рецепторы нужно смотреть шире и считать их тем, что они есть – большим мультигенным семейством, в которое входят вещества с несвязанными между собой функциями.