Warum können wir unterschiedliche Gerüche riechen? Eine sehr grundlegende, aber äußerst komplexe wissenschaftliche Frage

Der Geruchssinn ist einer der frühesten Sinne, die sich im menschlichen Körper ausbilden, und seine Bedeutung wird möglicherweise übersehen, weil er in unserem Leben zu häufig vorkommt. Der Geruchssinn spielt nicht nur beim Genießen leckerer Speisen und beim Erspüren von Gefahren in der Umwelt eine Rolle, er ist auch eng mit dem Gedächtnis und den Emotionen verbunden. Warum also können wir riechen? Dies ist eine sehr grundlegende, aber dennoch äußerst komplexe Frage. Der Schlüssel zur Antwort liegt in der Erforschung der Geruchsrezeptoren.

Geschrieben von Chen Qingchao (Postdoktorand, MRC Laboratory of Molecular Biology, University of Cambridge)

In der vielfältigen materiellen Welt gibt es eine Welt, die wir nicht sehen oder berühren können, aber wirklich fühlen können. Es kann vom Duft der Erde und des Grases nach dem Regen herrühren oder von der Versuchung köstlichen Essens auf dem Tisch. Es existiert sogar in der Erinnerung und verbindet die Ströme der Emotionen. Dies ist die „Welt des Geruchs“.

Es gibt Millionen verschiedener Gerüche, die jeweils aus Hunderten chemischer Moleküle mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen. Warum können wir so komplexe und unterschiedliche Gerüche wahrnehmen und unterscheiden? Dies ist seit langem eine der weniger erforschten, aber äußerst wichtigen wissenschaftlichen Fragen in der Biologie.

Abbildung 1. Geruchsmoleküle, die im Duft von gewöhnlichem Obst und Gemüse (Erdbeeren, Tomaten und Blaubeeren) enthalten sind. Jeder Kreis und jedes Quadrat stellt ein Geruchsmolekül dar. | Bildquelle: salk.edu

Tatsächlich handelt es sich bei „Fühlen“ und „Unterscheidung“ um zwei verschiedene biologische Probleme: Das eine ist die Art und Weise, wie unser olfaktorisches System komplexe und vielfältige Geruchsmoleküle wahrnimmt; Zum anderen geht es darum, wie unser Nervensystem Geruchssignale dekodiert, um unterschiedliche Geruchswahrnehmungen zu bilden. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die erste Frage und teilt mit Ihnen den Erkundungsprozess der Strukturforschung zu Geruchsrezeptoren in den letzten Jahrzehnten.

Suche nach Geruchsrezeptoren

Der Geruchssinn ist einer der frühesten Sinne, die sich im menschlichen Körper ausbilden, und er stellt eine sehr komplexe Sinnesreaktion dar. Durch Millionen von Riechnerven sind wir in der Lage, eine große Vielfalt kleiner Verbindungen mit unterschiedlichen Struktureigenschaften, also Geruchsmoleküle, bereits in sehr geringen Konzentrationen (im mikromolaren oder sogar nanomolaren Konzentrationsbereich) wahrzunehmen und zu unterscheiden. [2]

Die menschliche Nasenschleimhaut ist mit einem Gewebe namens Riechepithel bedeckt, in dem eine große Anzahl olfaktorischer Sinnesneuronen wächst und miteinander verbunden ist. Riechsinnesnervenzellen erstrecken sich durch Flimmerhärchen in die Schleimschicht, die die Nasenhöhle auskleidet. Der Vorgang, durch den wir einen bestimmten Geruch wahrnehmen, läuft wie folgt ab (Abbildung 1): Geruchsmoleküle gelangen in die Nasenschleimhaut und werden von den primären Flimmerhärchen der Riechnervenneuronen wahrgenommen, wodurch die Riechnervenzellen aktiviert und chemische Signale erzeugt werden; Diese chemischen Signale veranlassen die Nervenzellen, elektrische Signale zu erzeugen, die dann über die Riechnerven an den Riechkolben und dann an den Riechkortex (den kortikalen Bereich des Gehirns, der für die Geruchsverarbeitung zuständig ist) weitergeleitet werden. Im olfaktorischen Kortex analysiert und identifiziert das Gehirn eingehende Geruchsinformationen. Letztendlich entstehen durch die Verarbeitung der Riechnervensignale semantische Darstellungen, die verschiedene Gerüche beschreiben, wie etwa Kaffee, Rose, Mango usw.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des menschlichen Geruchssystems. Von der Geruchswahrnehmung, Signalübertragung bis hin zur abschließenden Informationsverarbeitung. | Bildquelle: nobelprize.org

Eine zentrale Frage im Bereich der Geruchsforschung ist seit langem, wie Zellen komplexe und vielfältige Geruchsmoleküle wahrnehmen. Eine plausible Hypothese ist, dass es auf den Riechsinnesnervenzellen ein spezielles Protein gibt, den sogenannten „Geruchsrezeptor“ (Ordorant Receptor, OR), der zur Erkennung von Geruchsmolekülen dient. Wissenschaftler haben versucht, diese speziellen Geruchsrezeptorproteine ​​zu finden.

Mitte der 1980er Jahre zeigte eine Reihe physiologischer und biochemischer Experimente, die von verschiedenen Forschungsgruppen durchgeführt wurden, dass die Geruchsaktivierung von olfaktorischen sensorischen Neuronen durch G-Protein-abhängige Signalwege vermittelt wird.

G-Protein ist ein sehr wichtiger Typ von Signaltransduktionsmolekül in Zellen. Es arbeitet mit G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) zusammen, um Signale, die von verschiedenen Signalfaktoren wie Hormonen und Neurotransmittern erzeugt werden, in die Zellen zu übertragen und reguliert darüber hinaus die Funktionen von Enzymen, Ionenkanälen, Transportern und verschiedenen anderen Proteinen. In olfaktorischen Neuronen vermitteln G-Proteine ​​die Aktivierung der Adenylatcyclase, die die intrazelluläre Konzentration von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) erhöht, cAMP-gesteuerte Ionenkanäle aktiviert und das Neuron depolarisiert [4].

Im gleichen Zeitraum wurden zahlreiche olfaktorisch-spezifische Gene geklont, darunter Gene, die G-Proteine ​​und cAMP-gesteuerte Ionenkanäle kodieren, was die wichtige Rolle der G-Protein-Signalwege bei der Geruchssignalübertragung weiter bestätigte. Diese Studien legten den Schluss nahe, dass es sich bei den Geruchsrezeptoren wahrscheinlich um G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) handelt.

Im Jahr 1991 veröffentlichten Linda Buck und Richard Axel in der Fachzeitschrift Science eine bahnbrechende Studie, in der sie erstmals die Genfamilie des Geruchsrezeptors GPCR von Ratten klonten und identifizierten[6]. Durch weitere Analysen zeigten sie außerdem, dass diese Rezeptoren nur in den Riechepithelzellen von Ratten exprimiert werden und nicht in acht anderen Geweben (einschließlich Gehirn, Netzhaut und Leber). Um die Größe der olfaktorischen Genfamilie abzuschätzen, verwendeten sie außerdem die DNA-Mischung als Sonde zum Screening der Genombibliothek der Ratte. Die damaligen Screening-Ergebnisse zeigten, dass das haploide Genom der Ratte mindestens 500–1000 Geruchsrezeptorgene enthielt.

Buck und Axel arbeiteten dann unabhängig voneinander weiter daran, das Vorhandensein von GPCR-Genen für Geruchsrezeptoren im menschlichen Riechgewebe weiter zu erforschen und bestätigten ihre wichtige Rolle im menschlichen Riechsystem.

Diese bahnbrechenden Arbeiten legten einen wichtigen Grundstein für unser Verständnis und die Erforschung des geheimnisvollen Geruchssinns, für die die beiden 2004 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielten.

Abbildung 3. Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2004 wurde gemeinsam an Richard Axel (links) und Linda B. Buck (rechts) für ihre „Entdeckungen der Geruchsrezeptoren und der Struktur des olfaktorischen Systems“ verliehen. | Bildquelle: nobelprize.org

Nach 2004 ermöglichte der Abschluss des Humangenomprojekts die Identifizierung und Klassifizierung menschlicher Geruchsrezeptorgene, was die Entwicklung der Geruchsrezeptorforschung weiter voranbrachte.

Heute wissen wir, dass es sich bei Geruchsrezeptoren in erster Linie um G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) mit sieben transmembranären Bereichen handelt. GPCR hat im menschlichen Körper mehr als 800 Familienmitglieder und stellt damit die größte Familie von Zelloberflächenrezeptoren bei Eukaryoten dar. Sie sind an der Regulierung nahezu aller Lebensaktivitäten des menschlichen Körpers beteiligt. Aus diesem Grund ist GPCR zu einem „Starmolekül“ in der wissenschaftlichen Forschung und einem wichtigen Ziel für die Arzneimittelentwicklung geworden. Etwa ein Drittel aller von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen Medikamente wirken, indem sie die Aktivität verschiedener GPCRs gezielt angreifen und regulieren[7]. Von allen GPCRs im menschlichen Körper werden etwa 400 Mitglieder als Geruchsrezeptoren klassifiziert. Sie machen die Hälfte der GPCR-Mitglieder aus und bilden die größte Proteinfamilie.

Das Dilemma der Strukturaufklärung olfaktorischer Rezeptoren

Seit der Geruchsrezeptor 1991 erstmals entdeckt wurde, arbeiten Strukturbiologen daran, seine Struktur aufzuklären und so den Mechanismus aufzuklären, mit dem er Geruchsmoleküle erkennt. Allerdings verlief die Analyse der Strukturen von Geruchsrezeptoren in den letzten 30 Jahren nicht reibungslos und war mit zahlreichen Herausforderungen verbunden.

Erstens werden die meisten menschlichen Geruchsrezeptoren hauptsächlich in Nasennervenzellen und in geringen Mengen exprimiert. Daher ist es schwierig, ausreichende Proteinmengen (normalerweise Milligrammmengen) direkt aus menschlichen Gewebeproben zur Strukturaufklärung zu gewinnen. Auch die Wirkung der heterologen Expression (Expression in tierischen Zellen oder Bakterien) ist nicht optimal. Nicht nur ist das Expressionsniveau sehr niedrig, es fehlt aufgrund von Fehlfaltung auch die biologische Aktivität.

Zweitens müssen wir, um die Proteinstruktur von GPCR zu analysieren, einige spezifische Ligandenmoleküle mit hoher Affinität binden, d. h. geeignete Geruchsmoleküle. Aufgrund der enormen chemischen Vielfalt von Geruchsmolekülen und der großen Anzahl von Geruchsrezeptoren fehlt derzeit jedoch eine effiziente Methode, um festzustellen, mit welchen Geruchsmolekülen ein bestimmter Geruchsrezeptor interagiert.

In der Wissenschaft wird mittlerweile zunehmend erkannt, dass jeder Geruchsrezeptor mit einer Teilmenge aller potenziellen Geruchsmoleküle interagieren kann, ein Geruchsmolekül mehrere Geruchsrezeptoren aktivieren kann und unterschiedliche Rezeptoren unterschiedliche Affinitäten zu unterschiedlichen Geruchsmolekülen haben. Die Komplexität dieser Interaktion hat dazu geführt, dass eine große Anzahl von Geruchsrezeptoren keine geeigneten Geruchsmolekülliganden finden. Diese Rezeptoren werden als „verwaiste Rezeptoren“ bezeichnet [8]. Derzeit wird viel zur „Deorphanisierung“ geforscht, um wirksame Screening-Methoden für die Suche nach geeigneten Liganden für Orphan-Rezeptoren zu entwickeln. Da es sich bei den meisten flüchtigen Geruchsmolekülen um hydrophobe Moleküle mit geringer Löslichkeit handelt, wird die Herstellung von Geruchsmolekülliganden zudem erheblich schwieriger.

Drittens ist GPCR als wichtiges Molekül für die Signalwahrnehmung und -weiterleitung auf der Zellmembran ein hochdynamisches Proteinmolekül, das ständig verschiedene Konformationen annimmt, beispielsweise inaktiv, halbaktiviert, aktiviert und gekoppelt mit verschiedenen regulatorischen Molekülen. Daher besteht wie bei den meisten anderen GPCRs eine der Schwierigkeiten bei der Reinigung von Geruchsrezeptoren darin, das Rezeptorprotein in einer bestimmten Konformation zu stabilisieren, was für die Bildung von Proteinkristallen sehr wichtig ist.

In den letzten Jahren haben viele Forschungsgruppen zahlreiche Methoden zur Stabilisierung verschiedener Konformationen von GPCRs entwickelt, darunter, jedoch nicht beschränkt auf, die Gewinnung hochstabiler Rezeptormutanten für die Proteinkristallisation durch Stabilitätsmutation; Stabilisierung der Struktur von an G-Proteine ​​gekoppelten GPCRs in einem vollständig aktiven Zustand durch Bindung an „Mini-G-Proteine ​​(MiniGs)“; Kombination hochaffiner kleiner Molekülliganden (einschließlich Agonisten, Antagonisten, inverser Agonisten usw.); und Entwicklung neuer Nanobodies (Nanobodies) zur Stabilisierung verschiedener komplexer Konformationen von GPCRs. Für einen bestimmten GPCR müssen viele verschiedene Methoden ausprobiert werden, um eine bestimmte Konformation zu stabilisieren, was ein sehr zeit- und arbeitsintensiver Prozess ist.

Der Beginn der Hoffnung: Von Insekten zum Menschen

Heute ist die Strukturbiologie von der Kristallbeugung in das Zeitalter der Kryoelektronenmikroskopie übergegangen. Bei einer vollständigen Einzelpartikel-Kryo-EM-Technik werden gereinigte Proteine ​​sofort in einer dünnen Schicht aus nichtkristallinem Glaseis eingefroren und dann mit einem Transmissionselektronenmikroskop abgebildet. Dabei werden Daten von Hunderttausenden bis Millionen von Proteinpartikeln aufgezeichnet – für eine dreidimensionale Rekonstruktion und präzise Modellierung (Abbildung 4). Im Vergleich zu herkömmlichen kristallografischen Methoden bietet die Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) offensichtliche Vorteile bei der Auflösung hochauflösender Strukturen biologischer Makromoleküle. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, Kristalle zu gewinnen, es werden nur geringe Probenmengen benötigt und es stehen vielfältige Methoden zur Probenvorbereitung zur Verfügung. Es wurde häufig verwendet, um die komplexe Struktur von GPCR und nachgelagerten Proteinen aufzuklären, was Hoffnung hinsichtlich der Aufklärung der Strukturen von Geruchsrezeptoren weckte.

Abbildung 4. Der grundlegende Arbeitsablauf der Einzelpartikel-Kryoelektronenmikroskopie (Single Particle Cryo-EM): Eine gereinigte Proteinprobe wird auf ein Gitter gelegt und dann mit flüssigem Ethan vitrifiziert. Die in das dünne Eis eingebetteten Proteinpartikel weisen verschiedene zufällige Ausrichtungen auf und werden mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) abgebildet. Anschließend werden sie durch eine Reihe von Bildverarbeitungen dreidimensional rekonstruiert, wodurch schließlich eine hochauflösende Protein-Kryo-EM-Struktur entsteht. | Bildquelle: pdf.medrang.co.kr

Im Jahr 2018 gelang es Forschern des Ruta Laboratory der Rockefeller University in den USA, die Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur von Orco, einem Geruchs-Korezeptor einer parasitären Wespe, mit einer Auflösung von fast 3,5 Å aufzulösen [9]. Im Gegensatz zu Säugetieren sind die Geruchsrezeptoren von Insekten keine GPCRs, sondern gesteuerte Ionenkanäle. Dabei handelt es sich um heteromultimere Ionenkanäle, die aus dem Geruchsrezeptor OR und dem hochkonservierten Korezeptor Orco bestehen. Dieser Ionenkanal wirkt wie eine Pore, durch die geladene Teilchen strömen, und öffnet sich nur, wenn der Rezeptor auf sein Zielgeruchsmolekül trifft und dadurch die Riechsinneszelle aktiviert. Seit langem herrscht in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Uneinigkeit darüber, ob Orco als unabhängiger Geruchsrezeptor fungieren kann, und es gibt kein einheitliches Modell für die Geruchswahrnehmung und Signalübertragung bei Insekten. Diese Arbeit demonstrierte zum ersten Mal die Feinstruktur des Insektengeruchs-Corezeptors Orco, dem Homotetramer, und lieferte damit schlüssige Beweise dafür, dass „der Insektengeruchs-Corezeptor Orco einen neuen Typ eines heteromeren, ligandengesteuerten Ionenkanals bilden kann“. Darüber hinaus führte sie eine Strukturanalyse durch, bestätigte seine Funktion und lieferte wichtige neue Erkenntnisse zum Verständnis der peripheren Geruchsmechanismen von Insekten.

Im Jahr 2021 gelang es in einer weiteren Forschungsarbeit aus Rutas Labor, die Struktur des Geruchsrezeptors OR5 einer Steinfliege (Machilis hrabei) mittels Kryo-Elektronenmikroskopie aufzuklären [10] (Abbildung 5). Durch den Vergleich der Strukturen von OR5, das an drei verschiedene Geruchsmoleküle gebunden ist, stellten die Forscher fest, dass die Bindung von Geruchsmolekülen hauptsächlich auf hydrophoben Wechselwirkungen beruht und dass die strengen geometrischen Beschränkungen anderer intermolekularer Kräfte (wie Wasserstoffbrücken), die oft die Ligandenerkennung vermitteln, fehlen.

Die hydrophobe Wechselwirkung ist eine Kraft, die die dreidimensionale Struktur von Proteinen stabilisiert und normalerweise zwischen zwei oder mehr unpolaren Aminosäureresten auftritt. Wenn sie sich in einer polaren Umgebung (meistens Wasser) befinden, führt ihre „Abneigung“ gegen Wasser dazu, dass sie auf eine bestimmte Art und Weise nahe beieinander bleiben, um so wenig wie möglich mit der polaren Umgebung zu interagieren. Diese unspezifische schwache Interaktion bietet einen neuen Mechanismus zur Erklärung, warum ein Geruchsrezeptor verschiedene Gerüche erkennen kann, und unterscheidet sich vom klassischen „Schlüssel-Schloss“-Modell vieler anderer Rezeptor-Liganden-Interaktionen. Die Unspezifität des OR5-Rezeptors bedeutet jedoch nicht, dass er keine Präferenzen hat. Obwohl es an viele verschiedene Geruchsmoleküle binden kann, ist es auch gegenüber vielen anderen Geruchsmolekülen unempfindlich. Darüber hinaus kann der Rezeptor durch einfache Mutation einiger Aminosäuren in der Bindungstasche so umgestaltet werden, dass er Moleküle binden kann, die er sonst nicht mag. Diese Entdeckung trägt auch zur Erklärung bei, warum Insekten im Laufe der Evolution durch Mutation Millionen von Geruchsrezeptoren entwickeln konnten, um sich an die verschiedenen Lebensumgebungen anzupassen, denen sie ausgesetzt sind, und einen einzigartigen Lebensstil zu entwickeln.

Abbildung 5. Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur des Geruchsrezeptors OR5 von Machilis hrabei. Wenn ein Geruchsmolekül an einen Geruchsrezeptor bindet, erweitert sich die Pore des Geruchsrezeptorkanals (blau) (rosa). | Bildquelle: rockefeller.edu

Die oben genannten strukturbiologischen Studien zu Geruchsrezeptoren von Insekten haben viele neue Erkenntnisse zu unserem Verständnis des Mechanismus der Geruchserkennung gebracht. Allerdings sind Menschen und Insekten letztlich unterschiedlich. Wir benötigen dringend hochauflösende Strukturen menschlicher Geruchsrezeptoren, um den „Schleier“ der menschlichen Geruchswahrnehmung zu lüften.

Erst im März 2023 enthüllte ein im Magazin Nature veröffentlichter Artikel erstmals das Geheimnis der menschlichen Geruchsrezeptorstruktur[11].

Für diese Arbeit wählten die Forscher einen Geruchsrezeptor namens OR5E2 aus. Sie wählten diesen Rezeptor, weil er nicht nur in Riechneuronen, sondern auch in anderen nicht-olfaktorischen Organen wie der Prostata exprimiert wird, was darauf schließen lässt, dass er sich für die Expression in einem heterologen System besser eignet. Das bedeutet, dass es einfacher ist, genügend Protein zu sich zu nehmen.

Auch für diesen Rezeptor sind passende Moleküle leicht erhältlich. Frühere Studien haben gezeigt, dass dieser Rezeptor an das Geruchsmolekül der wasserlöslichen kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs) – Propionsäure – binden und darauf reagieren kann. Kurzkettige Fettsäuren sind eine Art von Signalmolekülen, die von der Darmflora produziert werden. Sie sind flüchtig, haben einen besonderen stechenden Geruch und spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung vieler Krankheiten.

Darüber hinaus ist OR5E2 während der Evolution relativ konserviert, möglicherweise weil es Gerüche erkennt, die für das Überleben vieler Tierarten entscheidend sind, und die Forscher schlussfolgern, dass dieser Geruchsrezeptor in der Evolution durch Stabilität stärker eingeschränkt sein könnte.

Kurz gesagt, durch diese Strategien umgingen die Forscher geschickt die Herausforderungen der niedrigen Expressionsniveaus der meisten Geruchsrezeptoren, der geringen Löslichkeit der meisten flüchtigen Geruchsstoffe und der hohen Instabilität gereinigter Geruchsrezeptoren. Durch Fusion und Expression von Mini-G-Proteinen sowie die Kombination von Gβ1γ2-Proteinen und dem Nanoantikörper Nb35 stabilisierten die Forscher einen aktivierten Zustand von an Propionsäure gebundenem OR5E2 und verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie, um seine dreidimensionale hochauflösende Struktur aufzulösen (Abbildung 6).

Abbildung 6. 3D-Struktur des menschlichen Geruchsrezeptors OR51E2 (grün). Die violetten, roten und blauen Spiralen und Knäuel sind G-Protein-Untereinheiten, die an den Rezeptor koppeln, und die orangefarbenen sind Nanokörper, die zur Stabilisierung der Struktur dienen. |Bildquelle: Kristina Armitage/Quanta Magazine; Quellen: NIH/NIDCD; ArtBalitskiy/iStock; Alhontess/iStock

In dieser Struktur sperrt der OR51E2-Rezeptor das Geruchsmolekül Propionsäure in einer kleinen, geschlossenen Bindungstasche ein. In dieser kleinen Tasche bindet Propionsäure über zwei Arten von Wechselwirkungen an OR51E2: polare Wechselwirkungen (Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen) und unspezifische hydrophobe Wechselwirkungen. OR51E2 bindet Geruchsmoleküle also anders als geruchsgesteuerte Ionenkanäle von Insekten und scheint selektiver zu sein.

Während viele Geruchsrezeptoren auf eine Vielzahl chemisch unterschiedlicher Geruchsstoffe reagieren, scheint OR51E2 nur an kurzkettige Fettsäuren zu binden. Welche Faktoren bestimmen also diese Selektivität? Eine weitere Analyse dieser Struktur ergab, dass die Selektivität von OR51E2 für kurzkettige Fettsäuren auf dem Volumen der geschlossenen Bindungstasche (31 Å) beruht, die kurzkettige Fettsäuren wie Acetat und Propionat aufnehmen kann, die Bindung längerer Fettsäureketten jedoch verhindert. Daher gehen die Forscher davon aus, dass das Volumen der Bindungstasche ein wichtiger Selektivitätsfaktor für Geruchsmoleküle ist.

Dies ist ein spannendes Forschungsergebnis, da es sich um die erste veröffentlichte aktivierte Struktur eines menschlichen Geruchsrezeptors handelt, der an einen Geruchsmolekülliganden gebunden ist. Damit können wir zum ersten Mal sehen, wie Geruchsmoleküle an Geruchsrezeptoren binden, auch wenn viele Aspekte, wie etwa die Kopplung zwischen Rezeptor und G-Protein, noch nicht perfekt sind.

Die Bindung des Liganden an den GPCR verursacht normalerweise Konformationsänderungen, wodurch eine Kopplung mit dem G-Protein erfolgt und das Signal weiter an das G-Protein übertragen wird. Unter physiologischen Bedingungen können Geruchsrezeptoren von Säugetieren an zwei hoch homologe G-Proteine, Gαolf und Gαs, binden. In dieser Struktur koppelten die Forscher weder Gαolf noch Gαs, sondern nutzten stattdessen die Fusionsexpression von Mini-Gαs und kombinierten Gβ1γ2 und den Nanoantikörper Nb35, um die Struktur des Rezeptors und des G-Protein-Heterotrimers zu stabilisieren. Obwohl einige Wechselwirkungen zwischen Geruchsrezeptoren und G-Proteinen entdeckt wurden, reicht dies nicht aus, um den Wechselwirkungsmechanismus mit den echten G-Proteinen Gαolf und Gαs in vivo zu erklären.

Am 24. Mai 2023 veröffentlichte das Labor von Sun Jinpeng an der School of Basic Medical Sciences der Shandong University eine Arbeit online in der Zeitschrift Nature, in der die Struktur des olfaktorischen Rezeptors TAAR9 (mTAAR9) für Spurenamine der Maus systematisch analysiert wird, der vier endogene Aminliganden (Phenylethylamin, Dimethylcyclohexylamin, Cadaverin, Spermidin) erkennt und mit nachgeschalteten Gαs- und Gαolf-Proteinen koppelt [12].

Spurenamin-assoziierte Rezeptoren (TAARs) sind ein Typ evolutionär konservierter G-Protein-gekoppelter Rezeptoren bei Wirbeltieren, die nanomolare Konzentrationen von Spurenaminen wahrnehmen können. Spurenamine entstehen durch die Decarboxylierung von Aminosäuren und dienen bei Tieren als Geruchsmoleküle, die eine Reihe von Reizen wahrnehmen, wie etwa die Anwesenheit von Raubtieren oder Beutetieren, die Annäherung von Paarungspartnern und verdorbene Nahrung. Je nach Geruch können sie innerhalb oder zwischen Arten Anziehungs- oder Abneigungsreaktionen hervorrufen. In den letzten Jahren haben immer mehr Studien gezeigt, dass Spurenamine im menschlichen Körper mit einer Vielzahl von psychiatrischen Störungen in Zusammenhang stehen. TAAR ist daher zu einem potenziellen neuen therapeutischen Ziel für psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie, Depression und Drogenabhängigkeit geworden.

Abbildung 7. Struktur des Komplexes des olfaktorischen Rezeptors mTAAR9 der Maus mit verschiedenen Liganden und dem Trimer der Gas- und Gaolf-Proteine. | Bildquelle: Nature

In dieser Studie stellten die Forscher fest, dass der Geruchsrezeptor TAAR ein Paar Disulfidbrücken zwischen dem N-Terminus und dem zweiten extrazellulären Segment bildete, was bei anderen GPCR-Rezeptoren mit bekannten Strukturen noch nie festgestellt wurde. Darüber hinaus ist dieses Paar Disulfidbindungen für mTAAR9 von entscheidender Bedeutung, um Liganden zu erkennen und die extrazelluläre Konformation des Rezeptoraktivierungszustands zu stabilisieren.

Ein einzelner TAAR-Geruchsrezeptor kann mehrere Amin-Geruchsmoleküle erkennen, und dasselbe Amin-Geruchsmolekül kann auch von mehreren Geruchsrezeptoren erkannt werden. Die Komplexität dieser Wechselwirkung ist eine wichtige Grundlage für die olfaktorische Wahrnehmung von Aminmolekülen. Diese Studie entdeckte die gemeinsamen Strukturmotive von mTAAR9 zur Erkennung von Amin-Geruchsmolekülen sowie die kombinierten Strukturmotive zur Erkennung verschiedener Amin-Geruchsmoleküle und lieferte so neue Einblicke in die Erkennung von Amin-Geruchsmolekülen.

Es ist erwähnenswert, dass die Forscher auch die Molekülstruktur des mTAAR9-Rezeptors entschlüsselten, der mit zwei nachgeschalteten G-Proteinen, Gαs und Gαolf, gekoppelt ist. Da es sich hierbei um die erste experimentell bestimmte Struktur eines Komplexes aus Geruchsrezeptoren und Gαolf handelt, liefert dies wichtige Erkenntnisse zur vollständigen Aktivierung von Geruchsrezeptoren bei Säugetieren nach der nachgeschalteten G-Protein-Kopplung.

Zukünftige Herausforderungen

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie hat die Strukturanalyse der Geruchsrezeptoren erste Anzeichen gezeigt, und es stehen größere Herausforderungen bevor.

Die obige Struktur zeigt nur eine aktivierte Konformation, aber unter physiologischen Bedingungen sind Geruchsrezeptoren hochdynamisch. Mit der rasanten Entwicklung der künstlichen Intelligenz im Bereich der Proteinstrukturvorhersage haben Forscher auch versucht, die dynamischen Veränderungen von Rezeptoren durch Computersimulationen nachzuweisen, um theoretische Modelle zu verbessern. Dies entspricht jedoch nicht vollständig den Strukturänderungen unter realen physiologischen Bedingungen. Wir müssen die Strukturen mehrerer Geruchsrezeptoren unter verschiedenen zeitlichen Dynamiken analysieren und hochauflösende Methoden zur dynamischen Überwachung von Rezeptorproteinen entwickeln, die uns dabei helfen, die gesamte biologische „Black Box“ der Geruchswahrnehmung zu öffnen.

In den letzten Jahren konnte mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Sequenzierungstechnologie die Expression von Geruchsrezeptoren auch in mehr nicht-olfaktorischen Geweben festgestellt werden, darunter im Herzen, in den Atemwegen, in der Niere, der Leber, der Lunge, der Haut, dem Gehirn und anderen Teilen. Die Expression dieser Geruchsrezeptoren in nicht-olfaktorischen Geweben ist sowohl allgegenwärtig als auch spezifisch. Studien haben gezeigt, dass außerhalb der Nasenhöhle exprimierte Geruchsrezeptoren spezifische biologische Funktionen in bestimmten Geweben haben[13]. Einige Studien haben ergeben, dass eine abnormale Funktion der Geruchsrezeptoren mit dem Auftreten und der Entwicklung von Krankheiten wie Erkrankungen des Nervensystems und Tumoren zusammenhängt. Die Analyse der physiologischen Struktur dieser Rezeptoren in nicht-olfaktorischen Geweben bietet neue Richtungen und Herausforderungen für die Untersuchung der Struktur olfaktorischer Rezeptoren. Man geht davon aus, dass diese Geruchsrezeptoren in Zukunft auch zu wichtigen Zielmolekülen für Medikamente werden.

Kehren wir zur Frage am Anfang dieses Artikels zurück: Warum kann unser Geruchssystem so komplexe und unterschiedliche Gerüche wahrnehmen und unterscheiden? Wissenschaftlich lässt sich diese Frage noch immer nicht vollständig beantworten, und je mehr wir über die Struktur der Geruchsrezeptoren lernen und ein tieferes Verständnis erlangen, desto komplizierter scheint die Frage zu werden. Wie Geruchsrezeptoren gezielt auf Geruchsmoleküle in der Luft reagieren, ist nur ein Teil des größeren Geruchspuzzles. Die Forscher stehen noch vor einer noch komplexeren Herausforderung: Sie müssen verstehen, wie das Gehirn die von den Rezeptoren weitergeleiteten elektrochemischen Signale in die Wahrnehmung eines Geruchs übersetzt.

Bis wir die Geheimnisse der Geruchswahrnehmung verstehen, ist es noch ein weiter Weg.

Verweise

[1] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28424010/

[2] https://academic.oup.com/nar/article/50/D1/D678/6362078

[3] https://www.ingentaconnect.com/content/ben/cn/2019/00000017/00000009/art00010

[4] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK55985/

[5] https://www.science.org/doi/10.1126/

[6] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1840504/

[7] https://www.nature.com/articles/nrd.2017.178

[8] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AD%A4%E5%84%BF%E5%8F%97%E4%BD%93

[9] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0420-8

[10] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03794-8

[11] https://www.nature.com/articles/s41586-023-05798-y

[12] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06106-4

[13] https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0055368

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