人的鼻子可以分辨出一万亿种不同的气味-这是一项非凡的壮举，需要鼻子中有1000万个专门的神经细胞或神经元，以及一个包含400多个专用基因的家族。但是，正是这些基因和神经元如何协同工作以挑选出一种特殊的气味，一直困扰着科学家们。这在很大程度上是因为每个神经元内部的基因活性-这1000万个神经元中的每个仅选择激活这数百个专用基因中的一个-似乎过于简单，无法解释鼻子必须闻到的纯净气味数量。解析。

但是现在，一项在哥伦比亚进行的小鼠研究发现了一种惊人的机智：通过将自己重新排列在三维空间中，基因组可以协调每个神经元中这些基因的调控，从而产生检测我们所闻气味所需的生物多样性。这些发现今天发表在《自然》杂志上。

哥伦比亚Mortimer B. Zuckerman Mind Brain的首席研究员Stavros Lomvardas博士说：“通过今天的研究，我们已经找到了一种基因组机制，通过这种机制，有限数量的基因最终可以帮助区分看似接近无限数量的气味。”行为研究所和该论文的资深作者。

气味，也被称为嗅觉，令人难以置信。我们鼻子中的感受器不仅必须识别气味，还必须评估气味的强度，扫描我们的记忆以确定以前是否遇到过气味，并确定它是否令人愉悦或有毒。

嗅觉感受器神经元(从鼻子到大脑蜿蜒的特殊神经细胞)使这一切成为可能。尽管每个神经元都包含400个专用嗅觉受体基因的全套，但是这些基因中只有一个在每个神经元中都有活性。更令人困惑的是：活跃的基因似乎是随机选择的，并且在神经元之间是不同的。

这种异常的基因活性模式被称为“每个神经元一个基因”法则，长期以来一直是Lomvardas博士等科学家研究的重点。的确，几十年来，解密每个嗅觉受体神经元如何仅激活其中一个基因的方法以及该过程如何产生如此精细的嗅觉一直是个谜。

Lomvardas实验室博士后研究科学家Kevin Monahan博士说：“在小鼠中，嗅觉受体基因分散在整个基因组中的大约60个不同位置上-彼此相距很远。 -第一作者。小鼠具有约1,000种嗅觉受体基因，是人类的两倍多，可能表明它们具有更好的嗅觉。

传统上，人们一直认为位于不同染色体上的基因很少相互交互。通过使用一种称为原位Hi-C的新基因组测序技术，Lomvardas博士及其团队最近发现，染色体之间的相互作用比预期的要频繁得多。

Lomvardas实验室最近毕业的博士生Adan Horta博士说：“就地Hi-C在很大程度上是革命性的，因为它使我们能够以3D方式绘制活细胞内的整个基因组图。”第一作者。“这为我们提供了在特定时间点的基因组快照。”

研究人员拍摄的快照显示，嗅觉受体基因簇位于不同的染色体上，在选择嗅觉受体基因之前会朝着每个染色体物理移动。这些基因挤在一起后不久，另一种称为增强子的遗传元件聚集在一个单独的3D隔室中。增强子本身不是基因，而是调节基因的活性。

霍塔博士说：“我们先前发现了一组增强剂，我们将其命名为希腊群岛，位于各种嗅觉受体基因附近。”“这项工作表明，这些增强子创造了活性热点，以调节“选择的”嗅觉受体基因。

研究小组还发现，蛋白质Ldb1在此过程中起关键作用。它把希腊群岛团结在一起，允许他们打开一个特定的嗅觉受体基因，然后(作为一个团队)解释手头的特殊气味。

Monahan博士说：“这些基因团队赋予嗅觉系统以多种方式做出反应的能力。”“这个过程的灵活性可以帮助解释我们如何轻松地学习和记住新的气味。”

尽管特定于嗅觉，但研究人员的发现可能会对染色体间相互作用起作用的其他生物学领域产生影响。

伦瓦达斯博士说：“染色体之间的相互作用可能是导致已知基因改变的基因组移位的罪魁祸首，这种基因组易位导致癌症。”伦瓦达斯博士也是哥伦比亚大学卡弗里脑科学研究所的成员在哥伦比亚大学欧文医学中心任生物学，分子生物物理学和神经科学教授。“其他细胞的活动是否可以由我们在嗅觉受体神经元中所见的三维变化所决定?这是我们希望探讨的一个开放性问题。”