Response Pattern Analysis of Human Olfactory Receptors to Indole

Abstract

Human olfaction starts with selective binding of odorants to olfactory receptors (ORs) in nasal mucus. The combinatorial patterns of ORs stimulated by odorants are believed to decide the odor perception. The affinity between an OR and an odorous molecule is defined by their various molecular properties and other chemical aspects in a complicated manner. Thus, it is genuinely difficult to define which ORs an odorant will bind, and what description of smell the molecule will drive simply by considering their properties. In this study, odors of selected odorants were analyzed with an approach to the overall combinatorial patterns of 388 ORs instead of the individual OR responses. Visualization methods that represent an odor in terms of sensitivities and response levels of 388 human ORs to the odorous molecule were suggested and used to analyze and compare OR response patterns. Indole, methyl dihydrojasmonate and naphthalene were selected to compare OR response patterns. The perceived smell of indole differs by its concentrations. Indole at low concentration smells like jasmine, similar to the smell of methyl dihydrojasmonate. In contrast, the smell of indole at high concentration is perceived like mothball as naphthalene. Indole and methyl dihydrojasmonate are structurally distant, but indole and naphthalene are heterocyclic analogues that contain benzene ring(s). The response levels of ORs to each odorant were measured by a heterologous system established in Hana3A cells, which stably express accessory proteins that support robust cell surface expression of membrane proteins. The cAMP level increased by OR activation was measured using luciferase assay. The number of responsive ORs and response intensities to indole were positively correlated with indole concentration. Comparing the response patterns of three different odorants, ORs that recognize one or more than one of the odorants were found. The response intensities of responsive ORs showed greater similarities when the molecular structures of odorants were closer. There was a positive correlation between the perceived strength of the smell and the number of responsive ORs. Considering the protein similarity among same OR subfamily members, the OR response patterns were also analyzed at the subfamily level. Patterning of OR responses at the subfamily level was sufficient to distinguish and compare the OR response patterns of different odors. The number of common responsive subfamilies between odorants were much greater than that of the common responsive OR proteins. Increase of indole concentration led to higher similarity of response pattern with the pattern of naphthalene than that with methyl dihydrojasmonate. Even though there were some matching ORs and subfamilies between response patterns of similar odors, the patterns were very unique and distinguishable. These results show that the response of ORs to odorants is much more complicated and specific than what we actually interpret and perceive. This supports higher sensitivity and accuracy of OR based electrical devices to detect target chemicals than animal-based chemical detection. Because the visualization process excludes many natural mechanisms that occur in nasal mucus and neuronal systems, this encoding method for odors will allow objective recording of smell with least genetic and individual variations and contribute to standardization of olfaction and further understanding of the sense of smell.

인간의 후각은 코에 발현된 후각 수용체에 냄새 물질이 선택적으로 결합되며 시작되며, 냄새에 의해 자극이 된 후각 수용체의 반응 조합은 냄새의 인지를 결정하는 것으로 여겨진다. 후각 수용체와 분자 사이의 결합 정도는 다양한 분자 구조적 특성과 화학적 특성에 의해 복잡한 방식으로 정의된다. 그렇기 때문에, 한 냄새 분자가 어떤 후각 수용체에 작용을 할 지, 그리고 그로 인해 어떤 냄새로 인지가 될지 예측하는 것은 매우 어려운 상황이다. 본 연구에서는, 선택된 냄새 분자에 대한 388개의 후각 수용체의 전반적인 반응 패턴에 접근하여 냄새를 분석하였다. 냄새 분자에 대한 388 개의 인간 후각 수용체의 전체 반응 패턴을 나타내는 시각화 방법이 제안되었고 수용체의 반응 패턴을 분석하고 비교하는데 사용되었다. 본 연구에서는 인돌, 메틸 디하이드로 자스모네이트 그리고 나프탈렌에 대한 인간 후각 수용체의 반응 패턴을 비교하였다. 인돌의 냄새는 농도에 따라 다르게 인지된다. 저농도의 인돌은 메틸 디하이드로 자스모네이트처럼 자스민 향을 갖지만, 고농도의 인돌 냄새는 나프탈렌과 같은 좀약 냄새와 유사하다. 인돌과 메틸 디히드로 자모네이트는 분자 구조 유사성이 낮지만, 인돌과 나프탈렌은 벤젠 고리를 포함하는 이종 고리 유사체이다. 각각의 냄새 물질에 대한 후각 수용체의 반응 정도는 Hana3A 세포에서 확립된 이종 시스템에 의해 측정되었다. 먼저, 반응하는 후각 수용체의 개수와 반응 정도는 처리된 냄새 물질의 농도와 비례함을 확인하였다. 다음으로, 388개의 후각 수용체 중, 두개 이상의 냄새 물질에 공통적으로 반응하는 후각 수용체를 구분하였다. 후각 수용체의 반응 강도는 냄새 물질의 분자 구조가 가까울 때 더 높은 유사성을 나타냈다. 관능적인 냄새의 강도와 반응하는 후각 수용체의 개수 사이에는 양의 상관 관계가 있었다. 추가적으로, 동일한 후각 수용체 아과 (subfamily) 구성원 간의 단백질 유사성을 고려하여, 후각 수용체의 아과 수준에서 후각 수용체의 반응 패턴을 분석하였다. 두 냄새물질에 공통적으로 반응하는 아과의 개수는 공통적으로 반응하는 개별 후각 수용체의 개수보다 훨씬 많았으며, 동시에 물질 종류에 따른 패턴 특이성을 보였다. 인돌 농도가 증가함에 따라 메틸 디하이드로 자스모네이트와의 유사성에 비해 나프탈렌과의 유사성이 더 증가하였다. 이는 후각 수용체의 아과 수준에서의 반응 패턴 분석이 다른 냄새들 사이의 패턴을 비교하기에 충분할 수 있음을 시사한다. 비슷한 냄새의 반응 패턴 간에 일치하는 후각 수용체 및 아과가 분석되었음에도 불구하고 각 냄새 물질에 대한 후각 수용체의 패턴들은 큰 특이성을 보였다. 이 결과는 냄새에 대한 후각 수용체의 반응이 실제로 관능적으로 인지하는 것보다 훨씬 복잡하고 구체적이라는 것을 보여준다. 이는 동물 기반 화학 물질 탐지보다 후각 수용체 기반의 기기를 이용한 화학 물질 탐지가 높은 감도와 정확성을 가질 것임을 시사한다. 또, 후각의 시각화 과정은 코 점액질과 신경계에서 발생하는 많은 자연적 메커니즘을 배제하기 때문에 제시된 냄새의 코드화 방법은 최소한의 유전자 및 개별 변이를 갖는 냄새의 객관적인 기록을 허용하고 후각의 표준화 및 냄새 감각의 추가 이해에 기여할 것이다.