РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ОБОНЯТЕЛЬНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
РАЗНООБРАЗИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ОБОНЯТЕЛЬНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Аннотация
В статье рассматриваются структурно-функциональные особенности организации обонятельных рецепторов, хемоспецифичности обонятельного анализатора, а также экспрессии рецепторов в различных тканях организма человека. Описаны основные пути передачи сигналов обонятельными рецепторами и их функция в макрофагах человека и животных. Обсуждаются стратегии деорфанизации обонятельных рецепторов в макрофагах, которые в настоящее время оцениваются на предмет терапевтического потенциала и физиологической значимости в клинической практике. Анализ литературы по теме исследования позволяет заключить, что изучение роли обонятельных рецепторов в поддержании физиологических процессов в организме человека имеет перспективную диагностическую значимость.
1. Введение
Обоняние играет важнейшую роль в нескольких аспектах жизни. Расстройства обоняния очень распространены среди населения в целом и могут привести к неправильному питанию, потере веса, пищевым отравлениям, депрессии и другим расстройствам. Одоранты впервые обнаруживаются в верхней части носа основным обонятельным эпителием (ОЭ). В этой области миллионы обонятельных сенсорных нейронов (OSNs) взаимодействуют с молекулами запаха через рецепторы запаха, которые относятся к суперсемейству рецепторов, связанных с G-белком. Возникающий электрический сигнал передается по аксонам к главной обонятельной луковице мозга. Затем информация направляется в другие области мозга, что приводит к восприятию запаха и эмоциональным и поведенческим реакциям. Отмирающие клетки постоянно замещаются стволовыми клетками, локализованными в базальной области эпителия. Повреждение этого эпителия может быть вызвано множеством факторов, приводящих к аносмии (потере обоняния) . Являясь одной из самых «древних» физиологических систем в онтогенезе человека, обонятельная сенсорная система участвует в выполнении ряда жизненно важных функций; в настоящей статье мы рассмотрим современные представления о типах и функционировании обонятельных рецепторов.
2. История открытия и типы рецепторов
Обонятельные рецепторы (ОР) были впервые описаны в 1991 году Линдой Бак и Ричардом Акселем , . В своих первоначальных наблюдениях они предположили, что это новое семейство рецепторов относится только к обонятельному эпителию носа. Эти рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), активируются летучими химическими соединениями, также известными как одоранты . Предполагается, что ОР человека способны различать от 10 000 до более чем триллиона различных запахов. Однако экспрессия OР не ограничивается эпителием носа . OР были обнаружены во многих различных типах клеток и органах.
Основные типы генов, кодирующих обонятельные рецепторы, описаны в работе . Согласно данным авторов, все гены ОР можно разделить на 2 основных подкласса: первый подкласс включает 64 типа генов, второй — 704. В геноме человека гены первого класса выражены в меньшей степени, они больше характеры для рыб и амфибий, в то время как второй класс включает 14 семейств.
Рисунок 1 - Количество публикаций по вопросу «аносмия»
Примечание: по данным PubMed
Рисунок 2 - Распознавание молекул пахучих веществ обонятельным анализаторов
Примечание: по ист. [9] с изменениями
Сложная хемоспецифичность обонятельной системы, вероятно, обусловлена большим семейством короткозамкнутых гептаэллических рецепторных белков, экспрессирующихся в нейронах, широко распространенных в одной из нескольких зон нейроэпителия носа. Идентифицировано подсемейство обонятельных рецепторов, которое характеризуется четкими структурными особенностями, а также уникальным паттерном экспрессии. Представители этого семейства рецепторов встречаются у млекопитающих, таких как грызуны и опоссумы, но не у низших позвоночных. Все идентифицированные подтипы содержат расширенную третью внеклеточную петлю, которая обладает амфифильными свойствами и содержит множество заряженных аминокислот в консервативных положениях. Обонятельные сенсорные нейроны, экспрессирующие эти типы рецепторов, разделены небольшими группами на кончиках центральных носовых раковин, что представляет собой новый паттерн экспрессии обонятельных рецепторов. Было обнаружено, что у мышей гены, кодирующие новое подсемейство рецепторов, находятся в небольшом непрерывном сегменте геномной ДНК. Основываясь на видовой специфичности, а также на уникальных структурных свойствах и характере экспрессии, можно предположить, что новое подсемейство рецепторов может выполнять особую функцию в обонятельной системе млекопитающих .
Обонятельные рецепторы (ОР) экспрессируются не только в обонятельных сенсорных нейронах; они также наблюдаются за пределами обонятельной системы во всех других тканях человека, протестированных на сегодняшний день, включая яички, легкие, кишечник, кожу, сердце и кровь , , , . Было установлено, что в этих тканях экспрессия определенных ОР происходит исключительно в одной ткани, в то время как другие ОР более широко распространены во многих тканях человеческого организма. По большинству эктопически экспрессируемых ОР имеются ограниченные данные об их функциональной роли. Было показано, что они участвуют в модуляции процессов межклеточного распознавания, миграции, пролиферации, апоптотического цикла, экзоцитоза и поиска путей. Кроме того, появляется все больше доказательств того, что они потенциально могут служить в качестве диагностических и терапевтических инструментов, поскольку ОР высоко экспрессируются в различных раковых тканях . Интересно, что в дополнение к каноническим сигнальным путям, активируемым ОР в обонятельных сенсорных нейронах, были продемонстрированы альтернативные пути в тканях, не связанных с обонянием.
Эктопические обонятельные рецепторы (EORS) экспрессируются в тканях человеческого организма, не относящихся к носу . Они относятся к суперсемейству рецепторов, связанных с G-белком (GPCR). EORS, возможно, не способны распознавать одоранты как носовые обонятельные рецепторы (ORS), но все же могут активироваться одорантами и участвовать в различных биологических процессах, таких как противовоспаление, энергетический обмен, апоптоз и т.д. Употребление в пищу продуктов с сильным вкусом, таких как сельдерей, апельсины, лук и специи, помогает уменьшить воспаление и укрепить нашу иммунную систему. Во время переваривания этих продуктов в пищеварительной системе человека и метаболизма кишечной микробиотой пахучие вещества, тесно взаимодействующие с запахами, могут играть важную роль в различных биологических функциях, таких как выделение серотонина, регуляция аппетита и т.д., и в конечном итоге влиять на здоровье и болезни. Таким образом, EORS могут быть потенциальной мишенью, связывающей пищевые лиганды и их биологическую активность .
ОР участвуют в регенерации кератиноцитов, подвижности сперматозоидов, контроле кровяного давления, борьбе с раком и атеросклерозом и многим другим. Было также высказано предположение, что ОР могут модулировать прогрессирование опухоли, например, при остром ихроническом миелолейкозе. Некоторые метаболиты, образующиеся в результате диеты, обмена веществ, микробиоты, окислительного стресса и воспаления, могут быть лигандами и влиять на ряд заболеваний человека. Примерно 40% всех фармацевтических препаратов, представленных на рынке, нацелены на GPCR .
3. Экспрессия обонятельных рецепторов в макрофагах
Обнаружено, что OР экспрессируются также в макрофагах как у мышей, так и у людей . Моноциты и макрофаги обладают высокоспециализированной сенсорной системой, состоящей из рецепторов распознавания образов, GPCR и тирозинкиназных рецепторов. Среди GPCR, ОР могут «чувствовать запах» метаболитов и позволяют макрофагам реагировать на окружающую среду. Этот ответ может, среди прочего, опосредовать активацию инфламмасом, которые также высоко консервативны у позвоночных. Для активации инфламмасомы NLRP3 требуется первичный сигнал (сигнал 1), часто опосредуемый Toll-подобным рецептором 4 (TLR4), за которым следует вторичный сигнал, способствующий взаимодействию субъединиц NLRP3 с пириновым доменом ассоциированного с апоптозом спекоподобного белка. Домен ASC инициирует сборку инфламмасом, что приводит к процессингу IL-1β каспазой 1 и может индуцировать запрограммированную гибель воспалительных клеток . Этот процесс полезен для защиты от условно-патогенных микроорганизмов; однако, если его не устранить, он может быть вредным и вызывать хроническое воспаление и прогрессирование ряда воспалительных заболеваний .
OР — это самая многочисленная группа в суперсемействе генов GPCR у млекопитающих. Их функциональное исследование еще продолжается; по-видимому, макрофаги и моноциты экспрессируют несколько типов ОР в качестве сенсоров для небольших молекул в окружающей среде. Таким образом, макрофаги могут продуцировать множество молекул, таких как цитокины, модулирующие воспаление и болезни. Одна из разумных гипотез заключается в том, что OР изменяют экспрессию генов в макрофагах в зависимости от статуса активации, а также от диеты или заболевания. OР действительно могут определять метаболиты, присутствующие в крови и тканях, возможно, играя роль в контроле гомеостаза или реагировании на стресс и болезни. Текущим ограничением в понимании или функционировании макрофагов является недостаточная характеристика большинства ОР и большое количество единичных рецепторов, которые не имеют известного лиганда. Нацеливание на OР, экспрессируемые в макрофагах и моноцитах, могут стать новыми терапевтическими мишенями для лечения, профилактики и обращения вспять таких заболеваний, как атеросклероз и рак .
Первые доказательства того, что OР могут экспрессироваться в макрофагах, были получены в 2013 году Ли и соавторами в легких и дыхательных путях, идентифицированных с помощью технологии микрочипов Illumina . Интересно, что экспрессия по меньшей мере восьми OР (ORL1014, известных как Or6b2, ORL657, ORL622, ORL568, Or8g18, ORL446, Or8u8, ORL352, ORL272 и ORL65) была значительно повышена при одновременном введении липополисахарида (LPS) и IFNγ. Экспрессия ORL622 была в 5 раз выше, чем при применении только LPS или IFNγ. Это было подтверждено на уровне белка иммунофлуоресценцией в легочных макрофагах. Недавно ORs получили новые систематизированные названия генов, которые можно найти в базе данных обонятельных рецепторов (https://senselab.med.yale.edu/ORDB/). Обнаружено, что экспрессия OR6A2 положительно коррелирует с содержанием макрофагов. Эти данные подтверждают идею о том, что OR6A2 может способствовать развитию атеросклероза у людей.
Передача сигналов обонятельными рецепторами и их функция в макрофагах. Ли и соавт. были первыми, кто сообщил о возможных функциях, которые выполняют ОР в макрофагах. Их первоначальное исследование показало, что октанал (10 мкм) способен повышать индуцированную ЛПС экспрессию CCL2 (MCP-1), которая была снижена дилтиаземом (блокатором ионных каналов Ca2+). Гены, кодирующие передачу обонятельных сигналов, такие как Adcy3 и катионные каналы CNGA1,2,3,4 и CNGB1, экспрессируются в сосудистых макрофагах. Октанал, родственный лиганд для Olfr2, индуцировал повышение уровня цАМФ и приток Са2+ с кинетикой, соответствующей каналам CNG. BMDMs у мышей Adcy3+/- показали снижение притока кальция. Блокатор CNG дилтиазем полностью устранил приток кальция и выработку IL-1. Обработанные октаналом макрофаги по-разному экспрессируют гены, участвующие в процессах окислительного стресса и продукции АФК .
В 2021 году Вадеву С. и его коллеги исследовали функциональность другого белка, называемого Olfr78, который, как было описано ранее, экспрессируется в почках и других органах и имеет отношение к секреции ренина в ответ на короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA). Они обнаружили, что Olfr78 экспрессируется по меньшей мере в 40% BMDM в стабильном состоянии. Было показано, что лактат активирует Olfr78. Концентрация лактата в кондиционируемой опухолью среде (ТКМ) опухолей человека и мыши составляет ≈8-20 ммоль/л и, как сообщалось, влияет на многие типы клеток, включая дифференцировку макрофагов, способствуя проопухолевым М2-ТАМ, опосредующим иммуномодуляцию и прогрессирование опухоли. Стимуляция BMDMs с помощью LPS и IFNγ снижает экспрессию Olfr78 в BMDMs. ТКМ с дефицитом лактата был менее способен опосредовать поляризацию макрофагов М2 и секрецию IL-4, IL-10 и TGFβ. Интересно, что снижение уровня Olfr78 улучшило выживаемость в мышиной модели карциномы легких Льюиса (далее называемой «опухоль легкого»). Известно также, что ортолог Olfr78 человека OR51E2 также связывает SCFAs и высоко экспрессируется при раке предстательной железы и, возможно, при других видах рака. Более низкая экспрессия OR51E2 достоверно коррелирует с более длительной выживаемостью в анализе Каплана–Мейера .
Показано, что сосудистые макрофаги мышей экспрессируют обонятельный рецептор Olfr2 и все связанные с ним транспортные и сигнальные молекулы. Olfr2 обнаруживает соединение октанал, которое активирует пириновый домен семейства NLR, содержащий 3(NLRP3) инфламмасому, ииндуцирует секрецию интерлейкина-1β в макрофагах человека и мыши. Обнаружено, что плазма крови человека и мыши содержит октанал, продукт перекисного окисления липидов, в концентрациях, достаточных для активации Olfr2 и человеческого ортологического обонятельного рецептора 6A2(OR6A2). Полагают, что ингибирование OR6A2 может стать многообещающей стратегией профилактики и лечения атеросклероза.
4. Деорфанизация
Стратегии деорфанизации обонятельных рецепторов в макрофагах ОР начинают оценивать на предмет терапевтического потенциала и физиологической значимости . В общей сложности 80% ОР человека не имеют известных лигандов и называются орфанными рецепторами. Таким образом, деорфанизация, которая означает соединение рецепторов с соответствующими лигандами, является важной задачей в этой области. Несколько клеточных линий, включая HeLa и Hana3A, могут быть использованы для целей деорфанизации. Сообщается, что экзогенные пищевые ароматизаторы, такие как SCFA, а также природные или синтетические ароматизирующие соединения и эндогенные метаболиты, активируют различные клеточные линии in vitro. До настоящего времени экспрессия ОР в макрофагах была связана с эндогенным окислением и метаболическими процессами, которые модулируют возможные воспалительные и болезнетворные состояния. Однако потенциально экспрессируется еще несколько рецепторов, и очень немногие из них имеют известные лиганды. Деорфанизация ОР, экспрессирующихся в макрофагах, становится критически важной для определения их функции. Стратегии, использованные в ранее описанных клеточных линиях, могут быть также применены к первичным макрофагам или клеточным линиям макрофагов.
К настоящему времени известно, что исследования генетического влияния на обоняние ограничены несколькими примерами. Чтобы обобщить влияние мутаций на структурном уровне, учеными (Jimenez R.C., Casajuana-Martin N., García-Recio A. и соавт.) проанализирован список из 119 069 естественных вариантов ОР человека, собранных из открытых источников. Мутации OR были классифицированы в зависимости от их геномного и белкового контекста, а также частоты их встречаемости в нескольких человеческих популяциях . Функциональная интерпретация естественных изменений была оценена на основе растущих знаний о структуре и функциях семейства рецепторов, связанных с G-белком(GPCR), к которому принадлежат ORs. Анализ показывал необычайное разнообразие естественных вариаций в репертуаре генов обоняния у отдельных особей и популяций, причем значительное число изменений происходило в структурно консервативных областях. Авторами разработано интерактивное веб-приложение (hORMdb, база данных мутаций обонятельных рецепторов человека), выполнены топологические аннотации и популяционный анализ природных вариантов обонятельных рецепторов человека и создано интерактивное приложение для изучения данных о людях или мутациях . Эти усилия, наряду с продолжающимися исследованиями в области изучения генетических изменений в других сенсорных рецепторах, могут сформировать новую область знаний в области сенсогеномики, которая должна быть рассмотрена производителями продуктов питания и косметических товаров широкого потребления на благо населения в целом , , , .
5. Заключение
Таким образом, исследование роли обонятельных рецепторов в поддержании физиологических и патофизиологических процессов в организме человека имеет перспективную диагностическую значимость. Накопленный опыт позволяет констатировать, что функции обонятельных рецепторов неоднозначны и содержат большой терапевтический потенциал в ключе борьбы с воспалительными и онкологическими процессами различной этиологии.