Olfaktorische Rezeptoren mit speziellen topographischen Expressionsmustern

Abstract

In the present study, olfactory receptors (ORs) featuring special expression patterns in chemosensory subsystems were analyzed. The data showed that out of a repertoire of about 1000 ORs a restricted group (about 50) was not only expressed in the olfactory epithelium but also in the vomeronasal organ, which is generally defined by the expression of characteristic V1R and V2R receptors. The ?ectopically? expressed OR genes represent different receptor families including genes from gene-clusters located on different chromosomes. However, in all individuals the same set of genes seemed to be expressed. The majority of the expressed ORs was present in only a small number of VNO cells, however some were found to be expressed in more than 100 cells. One distinct OR gene (mOR261-6) was expressed in many more cells of female VNOs than in males. The highest number of OR expressing cells was observed in a short postnatal, pre-pubertal period. Cells with mOR18-2-receptors were also found to express a V1R gene. In these cells the OR18-2 gene did not show a mono-allelic expression as compared to expression in the main olfactory system but rather was transcribed from both alleles (bi-allelic) in the vomeronasal neurons. The functional implication of receptor coexpression and bi-allelic OR-expression are unknown. Receptors of the OR37 gene family are exclusively expressed in the olfactory epithelium, in which they are expressed in a special pattern in a central area of the nasal turbinate. Detailed analysis of the spatial distribution of cells equipped with distinct OR37 subtypes revealed that these cells were positioned in specific sub-compartments within this central region. The high number of OR37 expressing cells resulted in the lower number of cells with receptors which are zonally distributed. This implies that cells in a small circumscribed area preferentially expressed OR37 genes. The mechanisms underlying this unique spatial expression pattern of OR37 genes in the olfactory epithelium are currently unknown. A newly generated mouse line was arranged in which even very transient transcription of a OR37 gene is visualized by permanent label in the expressing cells. The examination showed that cells outside of the OR37 cluster did express a OR 37 family member, yet transcription in these cells was rapidly terminated. These results suggest a mechanism which allows an initial transcription of these genes in different areas of the epithelium, but a sustained expression of OR37 genes is restricted exclusively to the central recess of the turbinate. The special features of the OR37 subtypes have led to the hypothesis that these receptors possibly react to chemical compounds relevant for mammalian species. Thus complex mixtures of volatile compounds from the habitat of mice were examined. Electroolfactograms from different regions of the olfactory epithelium showed that the ?head-space? of the embedding from mice cages elicited a stronger response in the central area of the turbinate IIb than in areas outside of this region. Single substances out of this complex mixture induced similar responses in different epithelial recesses. However, 6-hydro-6-methyl-3-heptanon elicited stronger responses within the central OR37 expressing region. This substance is considered to be a mouse pheromone. Taken together, these data on expression and ligand specificity of distinct olfactory receptors suggest, that the vomeronasal organ and the olfactory epithelium although structurally separated chemosensory systems, overlap in their response, spectrum and in their functions, particularly in detecting compounds with biological relevance.

In der vorliegenden Arbeit wurden olfaktorische Rezeptoren (OR) untersucht, die sich durch besondere Expressionsmuster in chemosensorischen Subsystemen auszeichnen. Es hat sich gezeigt, dass von den mehr als tausend OR Genen eine kleine Gruppe (etwa 50) nicht nur im olfaktorischen Epithel exprimiert wird, sondern auch im Vomeronasalorgan (VNO), das generell durch die Expression der Vomeronasal-Rezeptoren V1R und V2R charakterisiert. Die ?ektopisch? im VNO exprimierten OR Gene repräsentieren unterschiedliche Rezeptor-Familien und umfassen Gene aus unterschiedlichen Genclustern, die auf verschiedenen Chromosomen lokalisiert sind. Allerdings wurde in allen untersuchten Individuen offenbar das gleiche ?Set? an Genen exprimiert. Die Mehrzahl der OR Gene wurde in relativ wenigen VNO Neuronen exprimiert, einige wenige Gene jedoch jeweils in mehr als 100 Zellen. Dabei wurde ein distinktes OR Gen (mOR261-6) im VNO weiblicher Tiere in deutlich mehr Zellen exprimiert als in dem männlicher Tiere. Die höchste Anzahl OR exprimierender VNO Neuronen war in einer kurzen postnatalen, präpubertären Phase zu beobachten. Für VNO Neurone, die den Rezeptor mOR18-2 exprimieren, konnte gezeigt werden, dass sie gleichzeitig ein V1R-Gen co-exprimieren. Für das OR Gen mOR18-2 wurde im Gegensatz zur typischen mono-allelischen Expression in den Sinneszellen des olfaktorischen Epithels in den Neuronen des VNOs die Expression von beiden Allelen (bi-allelisch) nachgewiesen. Die funktionellen Implikationen der Expression von zwei Rezeptortypen sind unklar. Die ausschließlich im olfaktorischen Epithel exprimierte Genfamilie der OR37 Rezeptoren zeichnet sich ebenfalls durch ein besonderes topographisches Expressionmuster aus. Diese Gene werden nur in Zellen exprimiert, die in einem zentralen, eng umgrenzten Areal der nasalen Turbinalen lokalisiert sind. Detaillierte Analysen zum Expressionsmuster von distinkten OR37-Subtypen ergaben charakteristische Subkompartimentierungen in diesem zentralen Zellcluster. Die relativ hohe Zahl von OR37 exprimierenden Zellen in diesem zentralen Epithelareal resultiert in einer deutlich geringeren Zelldichte für andere Rezeptortypen in dieser Region; d.h. Zellen in diesem epithelialen Areal exprimieren bevorzugt OR37 Gene. Die Mechanismen, die zur Ausbildung dieses speziellen Expressionsmusters im OE führen sind bisher unbekannt. Analysen einer neuen transgenen Mauslinie, in der alle Zellen, die ein definiertes Mitglied der OR37 Genfamilie zur Expression auswählen permanent markiert werden, haben gezeigt, dass die Transkription von OR37 Genen auch in Zellen außerhalb des ?Clusters? induziert werden kann; in diesen Regionen wird die Expression offenbar kurzfristig wieder beendet. Diese Befunde sprechen dafür, dass die geclusterte Organisation von OR37 exprimierenden Sinneszellen auf einen Mechanismus zurückzuführen ist, der eine Initiation der Transkription von OR37 Genen in verschiedenen Arealen des Epithels ermöglicht, die Aufrechterhaltung der Transkriptionsprozesse aber exklusiv auf den zentralen Turbinalbereich beschränkt. Die einzigartigen Eigenschaften der OR37 Rezeptoren führten zur Annahme, dass sie u.U. auf chemische Verbindungen reagieren die für Säuger besonders relevant sind. Daher wurden flüchtige Verbindungen aus komplexen Gemischen chemischer Komponenten aus dem unmittelbaren Lebensraum von Mäusen untersucht. Elektro-Olfaktogramme von verschiedenen Regionen des Riechepithels haben gezeigt, dass ?head-space? von Einstreu im zentralen Bereich des Turbinals IIb eine stärkere elektrische Antwort auslöste als in anderen Epithelbereichen. Einzelne Verbindungen aus dem Gemisch lösten in verschiedenen Epithelabschnitten vergleichbare elektrische Antworten aus; allerdings wurde für 6-Hydro-6-methl-3-heptanon eine stärkere Reaktion in der zentralen Turbinalregion registriert; diese Verbindung wird als ein Pheromon von Mäusen betrachtet. Die Daten zur Expression und zum Reaktionspektrum distinkter olfaktorischer Rezeptoren unterstützen die These, dass VNO und olfaktorisches Epithel zwar strukturell separate Systeme darstellen, ihre Reaktionsspektren und Funktionen allerdings überlappen, insbesondere bei der Registrierung von komplexen Substanz-Gemischen mit weitreichender biologischer Relevanz.