Receptor węchowy - Olfactory receptor

Receptor węchowy
Identyfikatory
Symbol 7tm_4
Pfam PF13853
InterPro IPR000725

Receptory węchowe ( OR, odds ), znany również jako receptory zapachowe , są chemoreceptorów ekspresji w błonach komórkowych z neuronów receptorów węchowych i jest odpowiedzialny za wykrycie zapachowych (na przykład, związki, które mają zapach), które powodują w węchu . Aktywowane receptory węchowe wyzwalają impulsy nerwowe, które przekazują informacje o zapachu do mózgu. Receptory te są członkami rodziny receptorów sprzężonych z białkiem G (GPCR) z rodziny rodopsyny klasy A. Receptory węchowe tworzą wielogenową rodzinę składającą się z około 800 genów u ludzi i 1400 genów u myszy.

Wyrażenie

U kręgowców receptory węchowe znajdują się zarówno w rzęskach, jak i synapsach węchowych neuronów czuciowych oraz w nabłonku dróg oddechowych człowieka. W owadów , receptory węchowe znajdują się na antenach i innych narządów chemosensory. Plemniki również wyrażają receptory zapachu, które uważa się za zaangażowane w chemotaksję w poszukiwaniu komórki jajowej .

Mechanizm

Zamiast wiązać specyficzne ligandy, receptory węchowe wykazują powinowactwo do szeregu cząsteczek zapachowych i odwrotnie, pojedyncza cząsteczka zapachowa może wiązać się z wieloma receptorami węchowymi o różnym powinowactwie, które zależą od właściwości fizykochemicznych cząsteczek, takich jak ich objętość cząsteczkowa. Gdy środek zapachowy zwiąże się z receptorem zapachu, receptor przechodzi zmiany strukturalne i wiąże się i aktywuje białko G typu węchowego wewnątrz neuronu receptora węchowego. Białkiem G ( G olf i / lub G e ) z kolei aktywuje liazy - cyklazy adenylowej - który przekształca ATP do cyklicznego AMP (cAMP). CAMP otwiera cyklicznych nukleotydów kanałów jonowych bramkowanych pozwalające wapnia i sodu jony wprowadzić do komórki, depolaryzację neuronu na receptory węchowe i rozpoczynające się potencjał czynnościowy , który przenosi informację do mózgu .

Pierwotne sekwencje tysięcy receptorów węchowych są znane z genomów kilkunastu organizmów: są to białka transbłonowe o siedmiu helisach, ale (stan na maj 2016 r.) nie ma znanych struktur żadnego OR. Ich sekwencje wykazują typowe motywy GPCR klasy A, przydatne do budowania ich struktur za pomocą modelowania molekularnego. Golebiowski, Ma i Matsunami wykazali, że mechanizm rozpoznawania ligandów, choć podobny do innych niezapachowych GPCR klasy A, obejmuje reszty specyficzne dla receptorów węchowych, zwłaszcza w szóstej helisie. Istnieje wysoce konserwatywna sekwencja w około trzech czwartych wszystkich OR, która jest trójstronnym miejscem wiązania jonów metali, a Suslick zasugerował , że OR są w rzeczywistości metaloproteinami (najprawdopodobniej z jonami cynku, miedzi i prawdopodobnie manganu), które służą jako Lewis miejsce kwasowe do wiązania wielu cząsteczek zapachowych. Crabtree w 1978 r. wcześniej zasugerował, że Cu(I) jest „najbardziej prawdopodobnym kandydatem na miejsce metalo-receptora w węchu” dla silnie pachnących substancji lotnych, które są również dobrymi ligandami koordynującymi metale, takimi jak tiole. Zhuang, Matsunami i Block w 2012 r. potwierdzili propozycję Crabtree/Suslick dotyczącą konkretnego przypadku myszy OR, MOR244-3, wykazując, że miedź jest niezbędna do wykrywania niektórych tioli i innych związków zawierających siarkę. Tak więc, używając substancji chemicznej, która wiąże się z miedzią w nosie myszy, tak że miedź nie była dostępna dla receptorów, autorzy wykazali, że myszy nie mogą wykryć tioli. Jednak autorzy ci odkryli również, że MOR244-3 nie ma specyficznego miejsca wiązania jonu metalu sugerowanego przez Suslicka, zamiast tego wykazuje inny motyw w domenie EC2.

W niedawnej, ale bardzo kontrowersyjnej interpretacji spekulowano również, że receptory węchowe mogą naprawdę wyczuwać różne poziomy energii wibracyjnej cząsteczki, a nie motywy strukturalne poprzez mechanizmy koherencji kwantowej. Jako dowód wykazano, że muchy potrafią rozróżnić dwie cząsteczki zapachowe, które różnią się tylko izotopem wodoru (co drastycznie zmieni poziomy energii wibracyjnej cząsteczki). Muchy potrafiły nie tylko odróżnić deuterowaną i niedeuterowaną formę substancji zapachowej, ale także uogólnić właściwość „deuteryzacji” na inne nowe molekuły. Ponadto uogólnili wyuczone zachowanie unikania na molekuły, które nie były deuterowane, ale dzieliły znaczne rozciągnięcie drgań z cząsteczkami deuterowanymi, co trudno wyjaśnić różnicowej fizyce deuterowania (poniżej).

Deuteracja zmienia ciepło adsorpcji oraz temperatury wrzenia i krzepnięcia cząsteczek (temperatura wrzenia: 100,0°C dla H 2 O vs 101,42°C dla D 2 O; temperatury topnienia: 0,0°C dla H 2 O, 3,82°C dla D 2 o) wartości pKa (to jest stałą dysocjacji: 9.71x10 -15 o H 2 o vs 1.95x10 -15 dla D 2 o, patrz ciężkiej wody ) i siła wiązań wodorowych. Takie efekty izotopowe są niezwykle powszechne i dobrze wiadomo, że podstawienie deuterem rzeczywiście zmieni stałe wiązania cząsteczek z receptorami białkowymi.

Stwierdzono, że ludzkie receptory węchowe są zdolne do rozróżniania deuterowanych i niedeuterowanych izotopomerów cyklopentadekanonu poprzez wykrywanie poziomu energii wibracyjnej. Jednak twierdzenie to zostało zakwestionowane przez inny raport, że ludzki receptor rozpoznający piżmo , OR5AN1, który silnie reaguje na cyklopentadekanon i muskon , nie rozróżnia izotopomerów tych związków in vitro. Ponadto mysi receptor rozpoznający (metylotio)metanotiol, MOR244-3, a także inne wybrane ludzkie i mysie receptory węchowe, reagowały podobnie do normalnych, deuterowanych i izotopomerów węgla-13 ich odpowiednich ligandów, analogicznie do wyników stwierdzonych w przypadku piżma receptor OR5AN1. Stwierdzono zatem, że proponowana teoria wibracji nie dotyczy ludzkiego receptora piżmowego OR5AN1, mysiego receptora tiolowego MOR244-3 ani innych badanych receptorów węchowych. Ponadto proponowany mechanizm przenoszenia elektronów w częstotliwościach wibracyjnych odorantów może być łatwo stłumiony przez efekty kwantowe modów wibracyjnych cząsteczek bez odorantów. Stąd wiele linii dowodów przemawia przeciwko teorii wibracji zapachu. To późniejsze badanie zostało skrytykowane, ponieważ wykorzystywało „komórki w naczyniu, a nie w całych organizmach” i że „ekspresja receptora węchowego w ludzkich embrionalnych komórkach nerki nie odtwarza odpowiednio złożonej natury węchu …”. W odpowiedzi autorzy drugiego badania stwierdzają, że „komórki zarodkowe nerki nie są identyczne z komórkami w nosie… ale jeśli patrzysz na receptory, to jest to najlepszy układ na świecie”.

Przypuszcza się, że nieprawidłowe działanie metaloprotein w układzie węchowym ma związek z chorobami neurodegeneracyjnymi o podłożu amyloidowym.

Różnorodność

Istnieje duża liczba różnych receptorów zapachu, z których aż 1000 znajduje się w genomie ssaków, co stanowi około 3% genów w genomie. Jednak nie wszystkie z tych potencjalnych genów receptorów zapachu są wyrażane i funkcjonalne. Według analizy danych pochodzących z Human Genome Project , ludzie mają około 400 funkcjonalnych genów kodujących receptory węchowe, a pozostałe 600 kandydatów to pseudogeny .

Powodem dużej liczby różnych receptorów zapachów jest zapewnienie systemu rozróżniania jak największej liczby różnych zapachów. Mimo to żaden receptor zapachów nie wykrywa ani jednego zapachu. Raczej każdy indywidualny receptor zapachu jest ogólnie przystosowany do aktywacji przez szereg podobnych struktur zapachowych. Analogicznie do układu odpornościowego , różnorodność istniejąca w obrębie rodziny receptorów węchowych pozwala na scharakteryzowanie nigdy wcześniej nie spotykanych cząsteczek. Jednak w przeciwieństwie do układu odpornościowego, który generuje różnorodność poprzez rekombinację in situ , każdy pojedynczy receptor węchowy jest tłumaczony z określonego genu; stąd duża część genomu poświęcona kodowaniu genów OR. Co więcej, większość zapachów aktywuje więcej niż jeden typ receptora zapachów. Ponieważ liczba kombinacji i permutacji receptorów węchowych jest bardzo duża, układ receptorów węchowych jest zdolny do wykrywania i rozróżniania bardzo dużej liczby cząsteczek zapachowych.

Deorfanizację receptorów zapachowych można przeprowadzić za pomocą technik elektrofizjologicznych i obrazowania, aby przeanalizować profile reakcji pojedynczych neuronów czuciowych na repertuary zapachów. Takie dane otwierają drogę do rozszyfrowania kombinatorycznego kodu percepcji zapachów.

Taka różnorodność ekspresji OR maksymalizuje zdolność węchu. Zarówno monoalleliczna ekspresja OR w pojedynczym neuronie, jak i maksymalna różnorodność ekspresji OR w populacji neuronów są niezbędne dla swoistości i czułości wyczuwania węchowego. Zatem aktywacja receptora węchowego jest problemem projektowym o dwóch celach. Korzystając z modelowania matematycznego i symulacji komputerowych, Tian i wsp. zaproponowali ewolucyjnie zoptymalizowany trójwarstwowy mechanizm regulacji, który obejmuje segregację strefową, przekraczanie barier epigenetycznych w połączeniu z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego i etapem konkurencji wzmacniającej. Model ten nie tylko podsumowuje ekspresję monoallelicznego OR, ale także wyjaśnia, w jaki sposób układ węchowy maksymalizuje i utrzymuje różnorodność ekspresji OR.

Rodziny

Opracowano system nomenklatury dla rodziny receptorów węchowych i jest on podstawą oficjalnych symboli Human Genome Project ( HUGO ) dla genów kodujących te receptory. Nazwy poszczególnych członków rodziny receptorów węchowych mają format „ORnXm”, gdzie:

  • Lub jest nazwą główną ( O lfactory R eceptor nadrodziny)
  • n = liczba całkowita reprezentująca rodzinę (np. 1-56), której członkowie mają więcej niż 40% identyczności sekwencji,
  • X = pojedyncza litera (A, B, C, ...) oznaczająca podrodzinę (>60% identyczności sekwencji) oraz
  • m = liczba całkowita reprezentująca pojedynczego członka rodziny ( izoforma ).

Na przykład OR1A1 jest pierwszą izoformą podrodziny A rodziny receptorów węchowych 1.

Członkowie należący do tej samej podrodziny receptorów węchowych (>60% identyczności sekwencji) prawdopodobnie rozpoznają strukturalnie podobne cząsteczki zapachowe.

U ludzi zidentyfikowano dwie główne klasy receptorów węchowych:

  • klasa I (receptory rybopodobne) OR rodziny 51-56
  • klasa II ( receptory specyficzne dla czworonogów ) OR rodziny 1-13

Receptory klasy I są wyspecjalizowane w wykrywaniu hydrofilowych substancji zapachowych, podczas gdy receptory klasy II wykrywają bardziej hydrofobowe związki.

Ewolucja

Wykazano, że rodzina genów receptorów węchowych u kręgowców ewoluuje poprzez zdarzenia genomiczne, takie jak duplikacja genów i konwersja genów . Dowodem roli duplikacji tandemowej jest fakt, że wiele genów receptorów węchowych należących do tego samego kladu filogenetycznego znajduje się w tym samym klastrze genów . Do tego momentu organizacja klastrów genomowych OR jest dobrze zachowana między ludźmi i myszami, mimo że funkcjonalna liczba OR jest znacznie różna między tymi dwoma gatunkami. Taka ewolucja narodzin i śmierci połączyła segmenty kilku genów OR, aby wygenerować i zdegenerować konfiguracje miejsc wiązania odorantu, tworząc nowe funkcjonalne geny OR, a także pseudogeny.

W porównaniu z wieloma innymi ssakami naczelne mają stosunkowo niewielką liczbę funkcjonalnych genów OR. Na przykład, od czasu odejścia od ich ostatniego wspólnego przodka (MRCA), myszy zyskały łącznie 623 nowe geny OR i straciły 285 genów, podczas gdy ludzie zyskali tylko 83 geny, ale stracili 428 genów. Myszy mają łącznie 1035 genów OR kodujących białka, ludzie mają 387 genów OR kodujących białka. Do priorytetowych wizja hipoteza głosi, że ewolucja widzenia barwnego u naczelnych powinien zostać zmniejszony naczelnych polegania na węch, co wyjaśnia złagodzenie presji selekcyjnej, że rozliczenia za nagromadzenie receptorów węchowych pseudogenów u naczelnych. Jednak ostatnie dowody sprawiły, że hipoteza priorytetu wizji stała się przestarzała, ponieważ była oparta na wprowadzających w błąd danych i założeniach. Hipoteza zakładała, że ​​funkcjonalne geny OR mogą być skorelowane ze zdolnością węchową danego zwierzęcia. Z tego punktu widzenia zmniejszenie frakcji funkcjonalnych genów OR spowodowałoby zmniejszenie węchu; gatunki z wyższą liczbą pseudogenów miałyby również zmniejszoną zdolność węchową. To założenie jest błędne. Psy, które cieszą się opinią, że mają dobry węch, nie mają największej liczby funkcjonalnych genów OR. Dodatkowo pseudogeny mogą być funkcjonalne; 67% ludzkich pseudogenów OR ulega ekspresji w głównym nabłonku węchowym, gdzie prawdopodobnie odgrywają one role regulacyjne w ekspresji genów. Co ważniejsze, hipoteza priorytetu widzenia zakładała drastyczną utratę funkcjonalnych genów OR w gałęzi OWM , ale wniosek ten był obciążony danymi o niskiej rozdzielczości z zaledwie 100 genów OR. Badania o wysokiej rozdzielczości zgadzają się, że naczelne utraciły geny OR w każdej gałęzi od MRCA do ludzi, co wskazuje, że degeneracji repertuarów genów OR u naczelnych nie można po prostu wytłumaczyć zmieniającymi się możliwościami widzenia.

Wykazano, że w nowoczesnych ludzkich receptorach węchowych selekcja negatywna jest nadal rozluźniona, co sugeruje, że u współczesnych ludzi nie osiągnięto jeszcze plateau minimalnej funkcji, a zatem zdolność węchowa może nadal spadać. Uważa się, że stanowi to pierwszą wskazówkę dotyczącą przyszłej ewolucji genetycznej człowieka.

Odkrycie

W 2004 roku Linda B. Buck i Richard Axel zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za pracę nad receptorami węchowymi. W 2006 roku wykazano, że inna klasa receptorów zapachowych – znana jako śladowe receptory związane z aminami (TAAR) – istnieje do wykrywania lotnych amin . Z wyjątkiem TAAR1 , wszystkie funkcjonalne TAAR u ludzi ulegają ekspresji w nabłonku węchowym . Zidentyfikowano również trzecią klasę receptorów węchowych, znanych jako receptory lemieszowo-nosowe ; Receptory lemieszowo-nosowe działają przypuszczalnie jako receptory feromonowe .

Podobnie jak w przypadku wielu innych GPCR, nadal brakuje struktur eksperymentalnych na poziomie atomowym dla receptorów węchowych, a informacje strukturalne opierają się na metodach modelowania homologii .

Ograniczona ekspresja funkcjonalna receptorów węchowych w układach heterologicznych znacznie utrudniła jednak próby ich deorfanizacji (analiza profili odpowiedzi pojedynczych receptorów węchowych). Zostało to po raz pierwszy uzupełnione genetycznie zmodyfikowanym receptorem OR-I7, aby scharakteryzować „przestrzeń zapachową” populacji natywnych receptorów aldehydowych.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki