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Der Mensch verfügt über etwa 400 verschiedene Arten spezialisierter Sensoren, sogenannte Geruchsrezeptorproteine, die irgendwie zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Gerüchen zu erkennen.“Zu verstehen, wie diese riesige Reihe von Rezeptoren Gerüche kodiert, ist eine herausfordernde Aufgabe“, sagt Studienleiter Joel Mainland, PhD, Molekularbiologe bei Monell. „Das Aktivierungsmuster dieser 400 Rezeptoren kodiert sowohl die Intensität eines Geruchs als auch die Qualität – zum Beispiel, ob es nach Vanille oder Rauch riecht – für die Zehntausende verschiedener Gerüche, die alles repräsentieren, was wir riechen. Im Moment weiß niemand, wie die Aktivitätsmuster in ein Signal übersetzt werden, das unser Gehirn als Geruch registriert.“Zusätzlich zur Komplexität des Problems kann die zugrunde liegende Aminosäuresequenz für jedes der 400 Rezeptorproteine geringfügig variieren, was zu einer oder mehreren Varianten für jeden der Rezeptoren führt. Jede Rezeptorvariante reagiert auf Gerüche etwas anders und die Varianten sind auf Individuen verteilt, so dass fast jeder eine einzigartige Kombination von Geruchsrezeptoren hat.Um ein besseres Verständnis des Ausmaßes der olfaktorischen Rezeptorvariation und ihrer Auswirkungen auf die menschliche Geruchswahrnehmung zu erlangen, verwendeten Mainland und seine Mitarbeiter eine Kombination von Hochdurchsatz-Assays, um zu messen, wie einzelne Rezeptoren und einzelne Menschen auf Gerüche reagieren. Die in Nature Neuroscience veröffentlichten Ergebnisse liefern einen entscheidenden Schritt zum Verständnis, wie Geruchsrezeptoren die Intensität, Angenehmheit und Qualität von Geruchsmolekülen kodieren.
Die Forscher klonierten zunächst 511 bekannte Varianten menschlicher Geruchsrezeptoren und betteten sie in Wirtszellen ein, die im Labor leicht zu züchten sind. Im nächsten Schritt wurde gemessen, ob jede Rezeptorvariante auf ein Panel von 73 verschiedenen Geruchsmolekülen ansprach. Dieser Prozess identifizierte 28 Rezeptorvarianten, die auf mindestens eines der Geruchsmoleküle reagierten.Beim Drilldown untersuchten die Forscher als nächstes die DNA von 16 olfaktorischen Rezeptorgenen und entdeckten erhebliche Variationen innerhalb der Gene für diskrete Rezeptoren.
Mit ausgeklügelter mathematischer Modellierung, um aus diesen Ergebnissen zu extrapolieren, sagt Mainland voraus, dass sich die Geruchsrezeptoren von zwei Individuen um etwa 30 Prozent unterscheiden. Dies bedeutet, dass sich für zwei zufällig ausgewählte Personen ungefähr 140 ihrer 400 Geruchsrezeptoren darin unterscheiden, wie sie auf Geruchsmoleküle reagieren.Um zu verstehen, wie sich die Variation eines einzelnen Geruchsrezeptors auf die Geruchswahrnehmung auswirkt, untersuchten die Forscher die Reaktionen auf Gerüche bei Individuen mit verschiedenen Varianten eines Rezeptors, der als OR10G4 bekannt ist. Sie fanden heraus, dass Variationen im OR10G4-Rezeptor damit zusammenhängen, wie Menschen die Intensität und Annehmlichkeit von Guajakol wahrnehmen, einem Molekül, das oft als rauchig beschrieben wird.In einer aktuellen Studie wird das olfaktorische Rezeptorrepertoire von Hunderten von Menschen damit in Verbindung gebracht, wie diese Menschen auf Gerüche reagieren. Die Daten werden es den Forschern ermöglichen, weitere Beispiele dafür zu identifizieren, wie Veränderungen einzelner Rezeptoren die Geruchswahrnehmung beeinflussen.“Das langfristige Ziel ist es, herauszufinden, wie die Rezeptoren Geruchsmoleküle gut genug kodieren, dass wir tatsächlich jeden gewünschten Geruch erzeugen können, indem wir die Rezeptoren direkt manipulieren“, sagte Festland. „Im Wesentlichen würde dies uns ermöglichen, die Geruchserfassung zu“digitalisieren“.“