У кожному нюшливому нейроні працює один-єдиний нюшливий ген, поки інші перебувають у молекулярному архіві.
Щоб відчувати запахи, у нас в носі є близько 10 мільйонів нейронів з нюхливими рецепторами - особливими молекулами на поверхні клітини, які зв'язуються із запаховими молекулами і посилають сигнал в мозок.
Збагачені рецептори - це білки, і, як і будь-які білки, вони зашифровані в генах. Таких нюшливих генів у нас більше чотирьохсот. Але в кожному окремому нейроні працює тільки один ген, і кожен окремий нейрон в ході власного дозрівання вибирає його випадковим чином.
Вважається, що саме завдяки такій організації, коли у нейрона є тільки один тип нюшливих рецепторів, ми та інші ссавці можемо відчувати величезну кількість запахів з усіма їх відтінками. Однак досі не було ясно, як так виходить, що в одному нейроні працює тільки один ген.
Смердючі гени сидять на різних хромосомах. Проте вже досить давно біологи знають, що всередині клітинного ядра ці гени знаходяться разом. Хромосоми в ядрі переплутані один з одним, їх частини зближуються і розходяться, і ось нюх гени з різних хромосом збираються в кластер. Але гени самі по собі - ще не все. У ДНК є багато різних регуляторних елементів, які ніяких білків не кодують, але які керують активністю генів. Такі регуляторні елементи приманюють до себе білки, які потрібні для зчитування інформації з ДНК, і передають ці білки тим чи іншим генам.
Серед регуляторних елементів є група під назвою енхансери. Вони можуть знаходитися досить далеко від тих генів, якими керують, так що тут теж потрібні просторові зближення одних ділянок ДНК з іншими. Експерименти на мишах показали, що у них є 63 нюх енхансера приблизно на тисячу генів (набагато більше, ніж у людей - у інших звірів нюх відіграє набагато більш важливу роль, ніж у нас).
У статті в Nature дослідники з Колумбійського університету описують, як мишачі нюханські енхансери, розташовані на 16 хромосомах, збираються в кластер, щоб вибрати один із нюшних генів, зібраних у свій окремий кластер по сусідству з енхансерами. Авторам роботи потрібно було побудувати тривимірну карту того, як різні ділянки хромосом розташовані в ядрі і які з них зближені один з одним (для цього був використаний метод Hi-C, про який ми вже якось розповідали). Кожен нейрон розвивається зі стовбурових клітин. У стовбурових клітинах же ніяких кластерів нюх генів немає, вони бовтаються окремо один від одного. Але як тільки стовбурова клітина починає диференціюватися в нюх нейрон, так різні ділянки ДНК різних хромосом починають зближуватися.
Однак кластер нюшливих генів, який тут утворюється, майже повністю неактивний. ДНК з генами щільно запечатана спеціальними архівуючими білками, і ті ферменти, які можуть зчитувати генетичну інформацію, просто не можуть дістатися до нюшливих генів. За межами архівного кластера випадковим чином залишається тільки якийсь один ген - він-то і дасть нейрону той самий один-єдиний тип нюшних рецепторів.
Одночасно з генами, які збираються в кластер, об'єднуються і регуляторні енхансери, до цього теж «розмазані» по всьому простору ядра. Але регуляторний кластер ні від чого не запечатаний, енхансери в ньому активні і забезпечують роботу того єдиного нюхливого гена, який залишився за межами архівного нюшного кластера.
Загалом, відбувається наступне: ділянки різних хромосом з нюховими генами зближуються один з одним і попутно зводять разом регуляторні елементи, потім нюх генів упаковують в архів, а один з них, що залишився за межами архіву, починає працювати під управлінням зібраних разом регуляторних елементів. Автори роботи також з'ясували, що всі ці структурні перебудови відбуваються завдяки двом білкам, які сидять якраз на енхансерних послідовностях, тобто енхансери відіграють роль ще й в організації «нюшного відділу» геному.
Але ген - всього один, а енхансерів чомусь багато. Пояснити таку енхансерну надлишковість можна тим, що для нюшливі енхансери - слабкі, що вони погано утримують активуючі білки, і щоб ген запрацював, потрібно дійсно багато таких регуляторних елементів. За іншою гіпотезою, щоб висмикнути ген з архіву, потрібно в принципі багато тих білків, які сидять на енхансерах і допомагають структурувати «нюшний відділ» - ці білки, зібравшись разом, утримують ДНК з геном рецептора від запечатування в архіві.
Портал Nature підкреслює, що мова тут йде про далеку взаємодію між ділянками різних хромосом. У порівнянні з далекими взаємодіями всередині однієї і тієї ж хромосоми, міжхромосомні контакти спостерігають набагато рідше, і поки незрозуміло, чи відіграють вони якусь значиму роль у житті клітини. Але, можливо, щось схоже на те, що відбувається з нюшливими генами і регуляторними елементами, має місце з іншими генами і в інших клітинах.