Когда птицы эволюционировали от своих предков динозавров, они выросли перьями и научились летать. Когда мышь Mus musculus развивалась, она развивала способность выпускать и любить острое и отталкивающее химическое вещество.
Иногда эволюция воняет.
Команда исследователей, возглавляемая Стивеном Либерлом (Stephen Liberles), доцентом клеточной биологии в HMS, наметила эволюцию путей биосинтеза, которые позволяют выделять триметиламин, мощный химический сигнал, который отталкивает крыс и людей.
Синхронизированный с увеличением производства триметиламина, Liberles и его группа в HMS вместе с коллегами из Научно-исследовательского института Scripps и Novartis Institute for BioMedical Research, Neuroscience DA, отметили эволюцию новых поведенческих реакций на запах, а именно виды мыши, которые излучают самые высокие уровни некогда репеллентного химического вещества, считают запах очень привлекательным. Результаты этого исследования появились в прошлом месяце в Current Biology.
Жизнь мыши – это пахучий роман. Большая часть информации, которую они имеют о своем мире, исходит из их обоняния. Они используют запахи, чтобы общаться с другими членами их собственных видов и избегать потенциальных хищников. У многих животных простое изменение в производстве запаха или восприятие запаха может быть достаточным, чтобы стимулировать создание нового вида, сказал Либерлес. В текущем исследовании исследователи отметили, что двум дополнительным изменениям необходимы мышам, чтобы полюбить такой ядовитый запах. «Сначала вам нужно изменить путь биосинтеза для феромона или запаха, и вместе с тем вам нужно изменить нейронные цепи и нейронные системы, которые реагируют на этот феромон или запах», – сказал он.
Триметиламин, который образуется при разложении растительного и животного вещества, является сигнатурным компонентом запаха гниющей рыбы. Кишки кишечника, которые помогают животным переваривать пищу, также производят химическое вещество. У большинства видов триметиламин метаболизируется в печени ферментом, который превращает его в нелетучий химикат путем окисления, делая его без запаха. Mus musculus развил механизм, который подавляет образование окисляющего фермента.
Мыши обнаруживают триметиламин, используя следящий амин-ассоциированный рецептор TAAR5, который изящно чувствителен даже к небольшим количествам химического вещества. Исследователи измерили концентрацию химического вещества в моче различных видов и подвидов мышей с использованием рецепторов TAAR5 в анализе репортер-генов. Они также измеряли образцы с использованием ЯМР-спектроскопии. Кроме того, исследователи сравнили поведенческую реакцию с запахом у мышей, у которых был отключен рецептор TAAR5, мышей дикого типа и крыс.
Mus caroli, азиатская рисовая мышь, тесно связана с musculus, но она не производит никакого триметиламина. Исследователи обнаружили, что ни один из образцов азиатских видов мышей не содержит обнаруживаемых количеств химического вещества, но виды в евразийской кладе имеют несколько эволюционных посредников. Эти виды, по-видимому, выделяют больше химического вещества, поскольку они приближаются к musculus на генеалогическом дереве мыши. Эти данные свидетельствуют о том, что это эволюционное развитие является последним.
В musculus мышей дикого типа привлекали запах, но мышей, не имеющих ТААР5, не было. Триметиламин является очень привлекательным ароматом для мышей дикого типа, но мышей TAAR5-нокаутом не привлекали запах. По словам Либерлса, это первый случай, когда поведенческая реакция напрямую связана с одним конкретным основным обонятельным рецептором.
«Для крыс это самый отвратительный химикат, который мы когда-либо тестировали», – сказал Либерлес, который также изучил реакции грызунов на запахи, производимые хищниками. «Крысы ненавидят этот запах».
Крысы питаются мышами, и исследователи предполагают, что способность выпускать такой запах репеллента могла бы быть частью избирательного давления, которое позволяло этому вонючим химическим веществам накапливаться у нескольких мышей с генетическими мутациями. Когда потомство этих злоумышленных мышей стало процветать на их территориях, свободных от крыс, счастливые немногие из их потомков, которые развивали реакции, позволяющие им привлекаться к некогда отвратительному запаху, получили еще более сильное репродуктивное преимущество, которое вело это эволюционное изменение ,
TAARs, особый вид обонятельного рецептора, который впервые определил Либерлес в 2006 году, ранее были связаны с инстинктивными отвратительными ответами, что привело к тому, что Liberles теоретизировали, что они могут быть подключены непосредственно в центры избегания мозга. По его словам, обнаружение того, что они также работают над обнаружением привлекательных стимулов, добавляет интересную морщину к этой теории.
«Понимание того, как мозг кодирует симпатии и антипатии, является основным вопросом в нейробиологии, – сказал Либерлес.
Тот факт, что мыши совершили такой резкий переход от отвращения к привлекательности, особенно интригует. Исследователи предложили три возможных объяснения: что нейронные цепи, связывающие TAAR5 с мозгом, возможно, были переработаны как часть эволюции нового поведения; что в то время как TAAR5 опосредует ответ на притяжение, другие рецепторы, которые когда-то опосредули отвратительный ответ, были потеряны в эволюционном процессе; или что новое поведение является научным ответом, преодолевая жесткие инстинктивные поведения. Каждый из этих сценариев имеет возможные последствия для лечения заболеваний человека, связанных с отвращением и притяжением, включая наркоманию.
«Мы заинтересованы в понимании того, как нейронная система может контролировать это изменение в поведенческом ответе», – сказал Либерлес.