В журнале Nature опубликовано исследование, проведенное под руководством профессора Ставроса Ломвардаса из Колумбийского университета. Работа раскрывает молекулярный механизм, позволяющий обонятельным сенсорным нейронам, клеткам, отвечающим за восприятие запахов, экспрессировать строго один из примерно тысячи доступных генов обонятельных рецепторов. Это стало возможным благодаря устойчивым молекулярным структурам, которые действуют как своеобразные выключатели на уровне генома.
Каждая такая клетка должна реагировать только на один запах, и точность этого выбора — ключ к нормальному обонянию. Но как именно удается добиться столь строгой специфики? Ответ оказался неожиданным. Ученые выяснили, что белки, регулирующие активность генов, формируют не жидкие, как ожидалось, а твердые агрегаты — конденсаты, которые сохраняют форму и активность в течение нескольких суток.
Исследование сфокусировано на трех белках — двух факторах транскрипции, LHX2 и EBF1, и адаптерном белке LDB1. Вместе они взаимодействуют с определенными участками ДНК, создавая устойчивые структуры. Эксперименты на живых нейронах показали, что такие конденсаты не сливаются друг с другом, не обмениваются молекулами и сохраняют внутреннюю организацию дольше, чем аналогичные системы в других клетках.
Ключ к стабильности оказался в так называемых составных мотивах — участках ДНК, где сайты связывания для LHX2 и EBF1 расположены строго через одну пару оснований. Эти мотивы позволяют белкам собираться в строго определенных местах, игнорируя похожие участки поблизости. Такая точность обеспечивает избирательность — только один ген активируется, а остальные остаются выключенными.
Дополнительные эксперименты показали, что регуляторные элементы, энхансеры, с нужными мотивами формируют трехмерные структуры, названные «греческими островами». Они объединяют ДНК с разных хромосом, но исключают неподходящие последовательности. Именно такие структуры и удерживаются с помощью твердых конденсатов, обеспечивая долговременную активацию одного-единственного гена.
Авторы считают, что этот механизм может быть не уникальным для обоняния. Подобные структуры, скорее всего, формируются и в других клетках, особенно в нервной системе, где важны стабильные генетические программы. Сейчас команда планирует исследовать, как эти твердые конденсаты формируются на молекулярном уровне, и где еще в организме используется такой принцип.
Интересно, что сложные и точные процессы, обеспечивающие управление движением, напоминают выбор одного-единственного сигнала среди тысяч возможных — как это происходит в обонятельной системе. Понимание таких высокоспециализированных механизмов в нейронах помогает глубже раскрыть общие принципы работы мозга. Подробнее о том, как нейроны выбирают нужный ген, и почему это важно, вы можете узнать в этой статье.