Для появления обоняния нужны всего семь генов

Что необходимо для появления обоняния, способного различать тысячи запахов? Как удалось выяснить австрийско-шведскому коллективу генетиков — за развитие обонятельных луковиц отвечает всего семь генов.

Исследователи, представившие результат своей работы в журнале PLoS Biology, изучали обонятельные луковицы у плодовых мушек — дрозофил. Тех самых дрозофил, которые стали классическим объектом для генетиков еще до открытия ДНК: мушки неприхотливы, невелики, быстро плодятся и, что важно, имеют сравнительно простую анатомию. Например, ученым давно было известно, что у этих существ всего около 1200 обонятельных клеток с рецепторами 34 разных типов, причем все эти типы клеток расположены не хаотично, а в строгом порядке.

Каждый тип — это свой уникальный рецептор и, соответственно, кодирующий его ген; зная это,  вопрос «сколько надо генов», можно было бы счесть исчерпанным — 34, по числу рецепторов... но этот очевидный ответ будет неверен.

Рецептор реагирует на наличие в воздухе определенных молекул, а комбинация сигналов от нескольких рецепторных клеток позволяет различать не только 34 «простых» запаха, но и сотни составных: подобно тому, как вкусовые рецепторы сладкого, соленого, кислого и горького дают не четыре ощущения, а идентифицируют множество индивидуальных вкусов. Вдобавок к генам самих рецепторов такой орган просто обязан иметь некоторые «сборочные чертежи», которые позволят клеткам вырасти именно там, где надо, а не хаотичным нагромождением.

И поиск таких «чертежей» - задача, выходящая далеко за пределы узкой области интересов специалистов по обонятельной системе конкретных плодовых мушек. Дрозофилы стали предметом внимания ученых именно потому, что многие из используемых ими молекулярно-генетических механизмов можно обнаружить у других видов, вплоть до человека: и зная то, как выстраивает свои обонятельные луковицы маленькая мушка, можно рассчитывать и на понимание того, как формируются наши собственные органы.

Сколько надо генов, чтобы уложить больше тысячи разнородных клеток в сложную трехмерную структуру? Сто? Тысяча? Генетикам было известно, что в геноме дрозофил есть более семиста генов, которые только и занимаются тем, что в нужные моменты управляют активностью других генов и таким образом указывают на то, когда надо синтезировать те или иные белки, а когда пора и прекратить. Каждая клетка (и это верно не только для обоняния дрозофил но и для человеческого сердца, например!) приобретает уникальную специализацию благодаря синтезу своих собственных белков, так что вопрос работы генов-переключателей тесно связан и с загадкой развития организма, и со всевозможными патологиями, когда клетки начинают работать как-то неправильно.

Проверив множество генов-переключателей (на языке биологов — транскрипционных факторов), ученые смогли свести все всего лишь к семи генам. Различные комбинации этих семи генов ответственны как за запуск синтеза уникальных рецепторов, так и за расположение обонятельных клеток в положенном им месте. Исследователи, правда, отмечают возможность того, что часть регуляторных генов они пропустили и их не семь, а около десятка, но в любом случае для управления десятками типов клеток вовсе не требуется иметь по одному гену на тип.  Если предположить, что каждый тип клеток кодируется комбинацией из двух генов, то даже шести (26 = 64) уже достаточно. А человек или собака с их тысячами разновидностей обонятельных клеток смогут обойтись сотнями ответственных за обоняние генов.

Контекст:

- С какими областями биологии и медицины связано это исследование?

- В первую очередь это стволовые клетки и, соответственно, регенеративная медицина. Поняв, какие гены в какой момент надо включать для появления органов и имея универсальные стволовые клетки, можно повторить этот процесс по заказу, вырастив, например, новый зуб
вместо утраченного. Или восстановив печень после операции по удалению раковой опухоли.

Интересны такие исследования и специалистам по теории эволюции, так как весь эволюционный процесс, по сути, является изобретением новых способов управления клетками: сначала это были индивидуальные бактерии с новыми способностями, а потом — взаимосодействующие клетки многоклеточных животных.

- Насколько скоро можно ожидать каких-то практических результатов?

-  Вряд ли именно эта работа приведет к тому, что через какое-то время медики начнут восстанавливать утраченные после инсульта нервные клетки или сожженую сетчатку, но в случае с фундаментальными исследования вообще сложно давать конкретные прогнозы. Знания о работе генов и сигнальных молекул потом используют в своей работе экспериментаторы, изучающие конкретные патофихиологические процессы, а вот их результаты уже могут иметь отношение к клинической практике: каждый раз цепочка от фундаментальных открытий к практике прокладывается разными путями и за разное время. Можно лишь сказать, что первые эксперименты по генной терапии врожденной слепоты, реконструкция трахеи с использованием стволовых клеток и выращенные у мышей новые зубы — все это уже реальность.