运动基因帮助鼻子理解气味

人类的鼻子可以分辨一万亿种不同的气味——这是一项非凡的壮举，需要1000万个专门的神经细胞或神经元和400多个专门的基因家族。但正是这些基因和神经元如何协同工作来寻找特定的气味，长期以来一直困扰着科学家。这很大程度上是因为每个神经元内部的基因活动——这1000万个神经元中的每一个都只选择激活这数百个专用基因中的一个——似乎太简单了，无法解释鼻子所需的气味数量。分析。

但现在，哥伦比亚大学的一项小鼠研究发现了一个惊人的机智：通过在三维空间中重新排列，基因组协调了每个神经元中这些基因的调节，从而产生了检测我们所体验的气味所需的生物多样性。今天发表的这项研究结果的性质。

“通过今天的研究，我们已经确定了一种基因组机制，通过这种机制，有限数量的基因最终可以帮助区分似乎无限数量的气味，”哥伦比亚Mortimer B. Zuckerman Mind Brain的首席研究员Stavros Lomvardas博士说。行为研究所高级作者及论文。

嗅觉，也称为嗅觉，极其复杂。我们鼻子里的感受器不仅要识别气味，还要测量它的强度，扫描我们的记忆以确定它是否曾经遇到过，并确定它是令人愉快的还是有毒的。

嗅觉受体神经元，从鼻子蜿蜒到大脑的特殊神经细胞，使这一切成为可能。虽然每个神经元包含一套完整的400个专用嗅觉受体基因，但每个神经元中只有一个基因是活跃的。更令人困惑的是，活跃基因是随机选择的，与神经元和神经元不同。

这种不同寻常的基因活动模式被称为“每个神经元一个基因”规则，长期以来一直是Lomvardas博士等科学家的研究重点。事实上，破译每个嗅觉受体神经元如何激活其中一个基因——以及这个过程如何产生如此精细调节的嗅觉——几十年来一直是个谜。

“在小鼠中，嗅觉受体基因分散在基因组中大约60个不同的位置——在彼此相距很远的不同染色体上，”Lomvardas实验室和论文的博士后研究科学家凯文莫纳汉博士说。——第一作者。小鼠有大约1000个嗅觉受体基因，是人类的两倍多，可能表现出优异的嗅觉。

传统上，人们认为位于不同染色体上的基因很少(如果有的话)相互作用。通过采用一种称为原位Hi-C的新基因组测序技术，Lomvardas博士和他的团队最近发现，染色体相互作用比预期的要频繁得多。

“原位Hi-C在很大程度上是革命性的，因为它允许我们以3D方式绘制活细胞中的整个基因组，”最近从Lomvardas实验室毕业的博士生Adan Horta博士说。第一作者。"这为我们提供了特定时间点的基因组快照."

研究人员拍摄的快照显示，位于不同染色体上的嗅觉受体基因簇在选择嗅觉受体基因之前，会物理移动到每个染色体。在这些基因被挤压在一起后不久，另一种被称为增强子的遗传元素聚集在一个独立的3D隔间中。增强子本身不是基因，只是调节基因的活性。

“我们之前发现了一组增强子，我们将其命名为希腊岛，它们位于各种嗅觉受体基因附近，”Horta博士说。这项工作表明，这些增强子创造了活性热点来调节“选定的”嗅觉受体基因。

研究小组还发现，蛋白质Ldb1在这一过程中发挥了关键作用。它将希腊岛屿连接在一起，允许它们开启特定的嗅觉受体基因，然后——作为一个团队——解释手边的特殊气味。

“这些基因团队赋予嗅觉系统以多种方式做出反应的能力，”莫纳汉博士说。“这一过程的灵活性有助于解释我们如何能够轻松地学习和记忆新的气味。”

虽然研究人员的发现与气味有关，但它们可能会影响染色体相互作用发挥作用的其他生物领域。

“染色体之间的相互作用可能是基因组变化的罪魁祸首——所谓的基因组易位——已知会导致癌症，”Lomvardas博士说，他也是哥伦比亚大学Kavli脑科学研究所的成员。哥伦比亚大学欧文医学中心生物学、分子生物物理学和神经科学教授。“我们在嗅觉受体神经元中看到的三维变化会影响其他细胞的活动吗？这是一个我们希望探索的开放性问题。”

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