稱之為基因組鼻子。與釋放氣味的花香不同，基因組節(jié)點(diǎn)——嗅覺受體基因的三維空間排列——幫助我們識別它們。不同的3D排列是如此有效，即使我們只有400個專門的嗅覺受體基因，它們也能讓我們分辨一萬億種不同的氣味。

哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)的這種3D排列方式，有助于解釋1000萬個特定嗅覺神經(jīng)元中的每一個是如何只表達(dá)一個嗅覺受體基因的，從而導(dǎo)致嗅覺神經(jīng)元類型在嗅覺上皮細(xì)胞中的隨機(jī)分布——如果你愿意，這是一種高階的氣味。

組織級和細(xì)胞級排列的基礎(chǔ)是包含染色體到染色體接觸的基因組級排列。為了捕捉這些接觸者的氣味，哥倫比亞大學(xué)Stavros Lomvardas博士實驗室的科學(xué)家們使用了Hi-C，一種捕捉染色體構(gòu)象的基因組測序技術(shù)。

哥倫比亞大學(xué)的研究小組于1月9日在《自然》雜志上發(fā)表了一篇題為《LHX2-和ldb1介導(dǎo)的反式相互作用調(diào)節(jié)嗅覺受體的選擇》的文章。這篇文章描述了基因組如何協(xié)調(diào)每個神經(jīng)元中這些基因的調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生探測我們所經(jīng)歷的氣味所需的生物多樣性。

“我們已經(jīng)確定了一種基因組機(jī)制，通過這種機(jī)制，數(shù)量有限的基因最終可以幫助區(qū)分?jǐn)?shù)量近乎無限的氣味，”隆瓦爾達(dá)斯斷言。特別是，科學(xué)家們明確了“每個神經(jīng)元一個基因”的規(guī)則。

嗅覺，也被稱為嗅覺，是一種復(fù)雜得令人難以置信的東西。我們鼻子里的感受器不僅要識別一種氣味，還要測量它的強(qiáng)度，掃描我們的記憶以確定它是否曾經(jīng)遇到過，并確定它是令人愉悅的還是有毒的。

嗅覺感受器神經(jīng)元，一種特殊的神經(jīng)細(xì)胞，從鼻子到大腦，使這一切成為可能。盡管每個神經(jīng)元都包含400個專門的嗅覺受體基因，但每個神經(jīng)元中只有一個基因是活躍的。更讓人困惑的是:活躍的基因似乎是隨機(jī)選擇的，而且每個神經(jīng)元都不一樣。

這種不尋常的基因活動模式，即“每個神經(jīng)元一個基因”規(guī)則，長期以來一直是Lomvardas等科學(xué)家研究的焦點(diǎn)。事實上，幾十年來，破譯每個嗅覺受體神經(jīng)元是如何激活這些基因中的一個，以及這個過程是如何產(chǎn)生如此美妙的嗅覺感覺的，一直是個謎。

“在老鼠的基因組中，嗅覺受體基因分布在大約60個不同的位置——在彼此相距很遠(yuǎn)的不同染色體上，”Kevin Monahan博士說，他是Lomvardas實驗室的博士后研究科學(xué)家，也是這篇論文的第一作者之一。老鼠大約有1000個嗅覺受體基因，是人類的兩倍多，這可能表明老鼠的嗅覺更靈敏。

傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為位于不同染色體上的基因很少相互作用。通過使用一種叫做原位Hi-C的新的基因組測序技術(shù)，Lomvardas博士和他的團(tuán)隊最近發(fā)現(xiàn)，染色體之間的相互作用比預(yù)期的要頻繁得多。

《自然》雜志的這篇文章的作者寫道:“在熒光激活的細(xì)胞分類的嗅覺感覺神經(jīng)元及其祖細(xì)胞上使用原位Hi-C捕捉染色質(zhì)構(gòu)象表明，來自18條染色體的嗅覺受體基因簇產(chǎn)生特異性和魯棒性的染色體間接觸，這種接觸隨著細(xì)胞分化而增加。”“這些接觸是由基因間嗅覺受體增強(qiáng)劑(‘希臘島’)協(xié)調(diào)的，它們首先促進(jìn)嗅覺受體隔間的形成，然后形成一個多染色體超增強(qiáng)劑，與單個活躍的嗅覺受體基因相關(guān)聯(lián)。”

原位Hi-C在很大程度上是革命性的，因為它讓我們能夠以3D方式繪制活細(xì)胞內(nèi)的整個基因組，”最近剛從Lomvardas實驗室畢業(yè)的博士候選人、論文的第一作者之一Adan Horta說。“這給了我們基因組在特定時間點(diǎn)的快照。”

“希臘島結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子LHX2和受體蛋白LDB1調(diào)控嗅覺受體室、希臘島中心和嗅覺受體轉(zhuǎn)錄的組裝和維持，”這篇文章的作者補(bǔ)充說，“為基因表達(dá)中轉(zhuǎn)運(yùn)相互作用的作用提供了機(jī)制上的見解和功能上的支持。”

研究人員拍攝的快照顯示，在選擇嗅覺受體基因之前，位于不同染色體上的嗅覺受體基因簇在身體上向每一個方向移動。在這些基因聚集在一起后不久，另一種被稱為增強(qiáng)子的基因元素聚集在一個單獨(dú)的三維空間中。增強(qiáng)子本身不是基因，而是調(diào)節(jié)基因的活性。

奧爾塔說:“我們之前發(fā)現(xiàn)了一組增強(qiáng)劑，我們給這些位于各種嗅覺受體基因附近的希臘島嶼命名。”這項研究表明，這些增強(qiáng)劑產(chǎn)生的熱點(diǎn)活動，以調(diào)節(jié)“選擇”嗅覺受體基因。

研究小組還發(fā)現(xiàn)Ldb1蛋白在這一過程中起著關(guān)鍵作用。它把希臘島嶼連在一起，使它們能夠啟動一種特殊的嗅覺受體基因，然后作為一個團(tuán)隊來解釋手邊的特殊氣味。

“這些基因團(tuán)隊賦予嗅覺系統(tǒng)以多種方式作出反應(yīng)的能力，”莫納漢說。“這一過程的靈活性有助于解釋我們是如何輕松地學(xué)習(xí)和記憶新氣味的。”

盡管研究人員的發(fā)現(xiàn)只針對嗅覺，但它可能對其他在染色體間相互作用中發(fā)揮作用的生物學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

Lomvardas說:“染色體之間的相互作用可能是基因組轉(zhuǎn)移的罪魁禍?zhǔn)?，這種轉(zhuǎn)移被稱為基因組易位，已知會導(dǎo)致癌癥。”“我們在嗅覺感受器神經(jīng)元中看到的三維變化，能塑造其他細(xì)胞的活動嗎?”這是一個我們希望探索的開放問題。