Od odkrycia białek G do poznania funkcjonowania zmysłu węchu
Autor: dr Paweł Majewski
W ostatnich latach intensywnie rozwijają się badania nad sposobami komunikowania się
komórek oraz budową, mechanizmami funkcjonowania i znaczeniem cząsteczek
chemicznych biorących udział w przekazywaniu sygnałów między komórkami. Osiągnięcia w
tej dziedzinie uhonorowano Nagrodą Nobla w 1994 roku. Otrzymali ją Alfred G. Gilman i
Martin Rodbell za odkrycie białek G i określenie ich roli w procesie przekazywania informacji
hormonalnych do komórek. Odkrycia uczonych przyczyniły się do dalszych prac związanych z
podobną problematyką i do kolejnych sukcesów naukowych. W 2004 roku Linda B. Buck i
Richard Axel zostali laureatami Nagrody Nobla za badania nad receptorami węchowymi i
układem węchowym (ryc.1). Oba zespoły badawcze zajmowały się m.in. receptorami
komórkowymi związanymi z białkami G - GPCR (ang. G protein-coupled receptors) (ryc. 2).
Ryc. 1. Schematyczne przedstawienie elementow anatomicznych związanych z powstawaniem wrażeo węchowych. Strzałki wskazują
kierunki rozprzestrzeniania się aktywacji neuronów dróg węchowych. Wzbudzenie neuronow węchowych następuje na skutek połączenia
się substancji zapachowych z białkami receptorowymi znajdującymi się w ich błonach komórkowych
Funkcjonowanie organizmu wymaga niezwykle dynamicznej, sprawnej współpracy
poszczególnych jego części. Istotną rolę spełniają systemy wymiany informacji między
komórkami. Ich wzajemne kontaktowanie się jest najczęściej oparte na sygnałach
chemicznych rozpoznawanych przez specyficzne białkowe receptory znajdujące się w błonie,
cytoplazmie lub jądrze komórkowym. Przyłączenie cząsteczki chemicznej do receptora
aktywuje białka efektorowe, takie jak np.: enzymy syntetyzujące wtórne przekaźniki
informacji w komórce czy kanały jonowe. Znaczna częśd znanych receptorów należy do
rodziny GPCR. Te charakterystycznie zbudowane cząsteczki nie oddziałują bezpośrednio na
efektory komórkowe (np. kanały jonowe), lecz z wykorzystaniem pośredników w postaci
białek G. Receptory należące do tej rodziny są największą i najbardziej zróżnicowaną grupą.
Wiążą się z nimi między innymi niektóre hormony oraz większośd neuroprzekaźników i
neuromodulatorów. Do GPCR należą także receptory znajdujące się w komórkach
zmysłowych języka czy też w neuronach węchowych. Jak ustalili laureaci Nagrody Nobla z
2004 roku, receptory węchowe są ogromną rodziną białek, kodowaną przez ponad 1000
genów (co stanowi w przybliżeniu 3% wszystkich genów obecnych w genomie człowieka).
Aktywacja takiego receptora odbywa się poprzez przyłączenie się do niego liganda
(cząsteczki zapachowej) i prowadzi do aktywacji błonowego enzymu, cyklazy adenylanowej
(AC) za pośrednictwem jednej z podjednostek białka G. Aktywnośd AC prowadzi do
zwiększenia się w komórce stężenia cząsteczek wtórnego przekaźnika - cyklicznego
adenozynomonofosforanu (cAMP) oraz otwarcia błonowych kanałów jonowych zależnych od
tego fosforanu. Otwarcie tych kanałów powoduje napływ do komórki kationów sodowych,
czego konsekwencją jest powstanie potencjału czynnościowego w neuronie węchowym. Nie
wszystkie receptory należące do rodziny GPRS wywołują efekt identyczny do
przedstawionego. Białka G mogą też hamowad aktywnośd AC lub oddziaływad z innymi
enzymami, jak np.: fosfodiesteraza cGMP (cyklicznego guanozynomonofosforanu) czy
fosfolipazy (PLC). W powyższych układach wtórnym przekaźnikiem nie jest cAMP, lecz GMP,
trójfosforan inozytolu (IP3) i diacyloglicerol (DAG).
Ryc 2. Receptor błonowy związany z białkiem G (GPCR). Jego aktywacja następuje w wyniku połączenia się liganda (np.
cząsteczki zapachowej) i prowadzi do zmiany aktywacji enzymów błonowych - np. AC lub PLC.
Rezultatem odkrycia faktu, że za odczuwanie zapachów są odpowiedzialne receptory
związane z białkami G, była możliwośd poznania procesów zachodzących w neuronach
należących do szlaków nerwowych wywołujących w OUN (ośrodkowym układzie nerwowym)
wrażenia węchowe. Richard Axel wraz ze swym zespołem stwierdził, że każdy z około tysiąca
znanych typów receptorów węchowych należących do GPCR ulega ekspresji najwyżej w 0,1
% neuronów węchowych. Dalsze badania potwierdziły, że w pojedynczym neuronie
węchowym dochodzi do ekspresji wyłącznie jednego typu receptora z rodziny GPCR. Wyniki
te wskazały, że w obrębie błony węchowej istnieje funkcjonalne zróżnicowanie neuronów
oraz umożliwiły badania mające na celu ustalenie, czy specyficzne rozmieszczenie w niej
poszczególnych neuronów ma wpływ na powstawanie wrażeo węchowych. Prace te,
prowadzone między innymi przez zespół Lindy Buck (Nobel 2004), nie dały możliwości
szczegółowego opisu rozmieszczenia poszczególnych typów neuronów węchowych, wykazały
natomiast istnienie w błonie węchowej gryzoni laboratoryjnych kilku rejonów, z których
każdy zawiera neurony mające określone typy receptorów węchowych. Najważniejszym
sukcesem noblistów była praca, w której odpowiedzieli oni na pytanie, czy w mechanizmie
czucia zapachów występuje segregacja przestrzenna receptorów, innymi słowy, czy neurony
mające ten sam rodzaj receptora wysyłają swe aksony do możliwych do określenia miejsc w
opuszce węchowej. Poszukiwanie uporządkowanych dróg neuronalnych, sięgających do OUN
zakooczyło się sukcesem. Stwierdzono, że liczba kłębuszków (czyli miejsc, w których aksony
neuronów węchowych tworzą połączenia synaptyczne z drugorzędowymi neuronami szlaku
węchowego) w opuszce nerwowej jest zbliżona do liczby typów receptorów węchowych.
Wskazywało to na możliwośd podążania aksonów neuronów posiadających ten sam typ
receptora do tego samego kłębuszka opuszki węchowej. Dalsze doświadczenia wykazały, że
neurony te tworzą połączenia synaptyczne w obrębie jednego lub najwyżej kilku spośród
tysiąca kłębuszków opuszkowych. Ponadto lokalizacja określonych kłębuszków okazała się
taka sama w opuszkach węchowych przedstawicieli tego samego gatunku zwierząt, co
wskazuje, że dany zapach wywołuje taką samą aktywnośd w ich mózgach. Naukowcy
dowiedli więc, że opuszka węchowa stanowi mapę odwzorowującą, które z receptorów
zlokalizowanych w neuronach nabłonka węchowego przyłączyły cząsteczkę substancji
zapachowej.
W mechanizmie czucia zapachu uczestniczy wiele receptorów należących do rodziny GPCR,
wiele neuronów węchowych oraz proporcjonalnie mniejsza liczba komórek mitralnych
(drugorzędowych neuronów szlaku węchowego) będących "stacjami przekaźnikowymi" na
drodze do wyższych struktur OUN. Trwają intensywne prace nad tym, w jaki sposób
aktywacja wymienionych elementów wpływa na nasze odczucia zmysłowe. Osiągnięcia
noblistów z 1994 i 2004 roku bardzo się przyczyniły do rozwoju tej dziedziny wiedzy.