移動中的基因幫助鼻子理解氣味

人類的鼻子可以區分一萬億種不同的氣味 – 這是一項非凡的壯舉,需要1000萬個專門的神經細胞或神經元,以及400多個專用基因家族。但正是這些基因和神經元如何協同工作才能發現特定的氣味,這讓科學家長期困惑不已。這在很大程度上是因為每個神經元內部的基因活動 – 這1000萬個神經元中的每一個只選擇激活這些數百個專用基因中的一個 – 似乎太簡單了,無法解釋鼻子所需的氣味數量。解析。

但現在,哥倫比亞大學的一項小鼠研究發現了一個驚人的機智:通過在三維空間中重新排列,基因組協調每個神經元中這些基因的調節,從而產生檢測我們所經歷的氣味所需的生物多樣性。這項研究結果在今天發表的性質。

「通過今天的研究,我們已經確定了一種基因組機制,通過該機制,有限數量的基因最終可以幫助區分看似幾乎無限數量的氣味,」哥倫比亞的Mortimer B. Zuckerman Mind Brain的首席研究員Stavros Lomvardas博士說。行為研究所和論文的資深作者。

氣味,也稱為嗅覺,令人難以置信的複雜。我們鼻子裡的受體不僅必須識別氣味,還要測量它的強度,掃描我們的記憶以確定它是否曾經遇到過,並確定它是否令人愉悅或有毒。

嗅覺受體神經元,從鼻子到大腦蜿蜒的專門神經細胞,使這一切成為可能。儘管每個神經元都包含400個專用嗅覺受體基因的全套,但每個神經元中只有一個基因活躍。更令人困惑的是:活躍的基因隨機選擇,並且不同於神經元和神經元。

這種不尋常的基因活動模式被稱為「每個神經元的一個基因」規則,長期以來一直是Lomvardas博士等科學家的研究重點。實際上,破譯每個嗅覺受體神經元如何能夠激活這些基因中的一個 – 以及這個過程如何產生如此精細調整的嗅覺 – 幾十年來仍然是神秘的。

「在老鼠體內,嗅覺受體基因在大約60個不同的位置散佈在基因組中 – 在彼此相距很遠的不同染色體上,」Lomvardas實驗室和該論文的博士後研究科學家Kevin Monahan博士說。 – 第一作者。小鼠有大約1,000個嗅覺受體基因,是人類的兩倍以上,可能表現出優異的嗅覺。

傳統上,人們一直認為位於不同染色體上的基因很少(如果有的話)彼此相互作用。通過採用稱為原位Hi-C的新基因組測序技術,Lomvardas博士和他的團隊最近發現,染色體的相互作用比預期的要頻繁得多。

「原位Hi-C在很大程度上是革命性的,因為它允許我們在3D中繪製活細胞內的整個基因組圖譜,」最近畢業的Lomvardas實驗室博士候選人Adan Horta博士說道。第一作者。「這為我們提供了特定時間點基因組的快照。」

研究人員拍攝的快照顯示,位於不同染色體上的嗅覺受體基因簇在選擇嗅覺受體基因之前會向每個染色體物理移動。在這些基因擠在一起之後不久,另一種稱為增強子的遺傳元素聚集在一個單獨的3D隔室中。增強子本身不是基因,而是調節基因的活性。

「我們以前發現了一組增強子,我們命名為希臘群島,位於各種嗅覺受體基因附近,」Horta博士說。「這項工作表明,這些增強劑創造了活動的熱點,以調節」選擇的「嗅覺受體基因。

該團隊還發現蛋白質Ldb1在這一過程中起著關鍵作用。它將希臘群島連在一起,允許他們打開特定的嗅覺受體基因,然後 – 作為一個團隊 – 解釋手頭的特殊氣味。

「這些基因團隊賦予嗅覺系統以多種方式作出反應的能力,」莫納漢博士說。「這個過程的靈活性有助於解釋我們如何輕鬆地學習和記住新的氣味。」

研究人員的研究結果雖然與嗅覺有關,但可能會影響染色體間相互作用發揮作用的其他生物學領域。

「染色體之間的相互作用可能是基因組變化的罪魁禍首 – 稱為基因組易位 – 已知會導致癌症,」Lomvardas博士說,他也是哥倫比亞大學Kavli腦科學研究所的成員。擔任哥倫比亞大學歐文醫學中心生物學和分子生物物理學以及神經科學教授。「我們在嗅覺受體神經元中看到的三維變化是否會影響其他細胞的活動?這是一個我們希望探索的開放性問題。」