Aufbau unserer Nase

In der menschlichen Nase finden wir drei übereinander liegende Ebenen, die mit Schleimhaut überzogen sind. Auf der obersten befindet sich das sog. Riechepithel, das aus den eigentlichen Riech- und den Stützzellen, sowie den Basalzellen, besteht. Die Basalzellen sind adulte Stammzellen, die unser ganzes Leben lang die Riech- und Stützzellen im 4-Wochen-Takt erneuern. Riechzellen tragen an einem Ende feine, in den Nasenschleim hineinragende Sinneshärchen (Cilien), mit denen sie mit der Außenwelt in Kontakt treten und Duftstoffe absorbieren. Am anderen Ende der Riechzelle befindet sich ein langer Nervenfortsatz, der durch kleine Löcher im Schädelknochen bis zum Riechhirn (Bulbus olfactorius) zieht und Informationen über Riechzellerregungen ins Gehirn leitet (Abb. 1). Die Nerven der Riechzellen enden in kleinen kugelförmigen Zellansammlungen, den sog. Glomeruli. Sie treten dort in Kontakt mit spezialisierten Empfängerzellen (Mitralzellen), die dann das Duftsignal in tiefere Gehirnregionen weiterleiten.

Abb. 1  Aufbau der menschlichen Riechschleimhaut mit den Verbindungen der Riechsinneszellen zum olfaktorischen Bulbus.

Wie arbeitet eine Riechzelle?

Alles, was duftet, gibt aufgrund des Dampfdrucks ständig winzige Mengen von spezifischen Molekülen in das umgebende Medium ab. Diese gelangen mit der Atemluft in unsere Nase bis hinauf zum Riechepithel, wo sie durch den Schleim mit Hilfe von Bindeproteinen zu den feinen Sinneshärchen der Riechzellen transportiert werden. Inzwischen weiß man, dass sich in der Membran dieser Sinneshärchen spezifische Proteine, sog. Rezeptoren, befinden, die bei entsprechender Passung mit dem Duftmolekül wechselwirken können. Dabei handelt es sich um schwache, elektrochemische Kräfte und zusätzliche mechanische Passung. So durch Duftmoleküle aktivierte Riechrezeptoren sind nun in der Lage, über zwischengeschaltete sog. "G-Proteine" im Zellinneren eine biochemische Signalkaskade zu starten, an deren Ende die Herstellung von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP), eines "zweiten Botenstoffes" (second messenger), steht. Dieser Botenstoff öffnet dann seinerseits direkt Kanäle (Thürauf et al., 1996) in der Zellmembran, durch die positiv geladene Teilchen, Kationen, in die Zelle einströmen können und so das Ruhemembranpotential der Sinneszellen verändern (Abb.2). Jede unserer Riechzellen hat in Ruhe ein negatives Potential von etwa -70 mV. Der Einstrom von positiv geladenen Ionen (meist Natrium- und Calciumionen) aus dem Nasenschleim macht dieses Potential positiver, die Zelle wird erregt. Man nennt eine solche Veränderung auch Rezeptor- oder Sensorpotential. Ab einem gewissen Schwellenwert (ca. –50 mV) wird das analoge Signal digitalisiert und in eine Sequenz von Aktionspotentialen umgewandelt, die entlang des Nervenfortsatzes der Riechzelle bis in unser Gehirn geleitet werden. Dieser kaskadenartige Verstärkungsmechanismus ist die Basis dafür, dass wir so sensitiv auf die geringsten Konzentrationen eines Duftstoffes reagieren können. Inzwischen konnten alle molekularen Komponenten, die an dieser Transduktionskaskade beteiligt sind, isoliert und die beteiligten Gene entschlüsselt werden.
Einen Meilenstein stellte dabei das Jahr 1991 dar, in dem in USA die Gene für die beiden wichtigsten Proteine, die für die Erkennung und Umsetzung eines Duftreizes in eine elektrische Antwort der Riechzelle verantwortlich sind, erstmals identifiziert wurden, das Riechrezeptorprotein, das Düfte erkennt (Buck und Axel, 1991) und der spezifische, durch cAMP geöffnete Ionenkanal, der einen Stromfluss in Riechzellen erlaubt (Reed, 1992). Wir konnten dann zum ersten Mal diesen Ionenkanal an menschlichen Riechzellen mit elektrophysiologischen Methoden nachweisen und vermessen (Thürauf et al., 1996, Zufall et al., 1993). 1999 gelang es uns dann, auch den ersten Riechrezeptor des Menschen zu klonieren und zu charakterisieren (Wetzel et al., 1999).

Abb. 2  Molekulare Prozesse bei der Umsetzung eines chemischen Duftreizes in eine elektrische Zellantwort.

Die Riechrezeptoren, eine Großfamilie

Man schätzt, dass es im menschlichen Genom ca. 350 davon gibt. Es ist die größte Genfamilie im menschlichen Genom überhaupt. Ein Hinweis darauf, wie wichtig Riechen für den Menschen ist, auch wenn wir oft den Geruchssinn als niederen oder gar "verlorenen Sinn" bezeichnen. Die Aminosäureketten (ca. 320 Aminosäuren) der Riechrezeptorproteine sind sich in ihrer Sequenz sehr ähnlich (homolog) und durchspannen an sieben Stellen die Zellmembran (Abb. 3). Am meisten Diversität findet man in Bereichen, die innerhalb der dritten, vierten, fünften und sechsten Membran durchspannenden Region liegen. Hier vermutet man die Bindungsstellen für die einzelnen Duftmoleküle. Ein Rezeptorprotein ist dabei in der Lage, sehr spezifisch nur eine bestimmte chemische Teilstruktur (funktionale oder determinante Gruppe) eines Moleküls zu erkennen und entsprechend nur auf Duftmoleküle zu reagieren, die diese molekulare Struktur besitzen. Trotz ihrer hohen Spezifität können Rezeptoren nicht nur durch ein bestimmtes Molekül aktiviert werden, sondern Moleküle ähnlicher Struktur in höheren Konzentrationen sind dazu ebenfalls in der Lage. Man findet z.T. auch Rezeptoren mit sich überlappenden Spektren. Molekular deutlich unterschiedliche Strukturen sind allerdings unwirksam. Die Gene für die verschiedenen Rezeptoren liegen beim Menschen in Klustern von bis zu 80 Mitgliedern angeordnet und sind nahezu über alle Chromosomen verteilt (außer Chromosom 20 und Y). Jede Riechzelle aktiviert allerdings nur eines dieser Gene und stellt deshalb nur einen einzigen Typ von Rezeptorprotein her, darauf beruht die hohe Spezifität. Mit anderen Worten, bei ca. 20 Millionen Riechzellen und etwa 350 unterschiedlichen Rezeptoren, gibt es entsprechend viele Typen von Riechzellen, d.h. von jedem Typ ca. 40.000 in der Riechschleimhaut verteilt. Mit Hilfe der sog. in situ Hybridisierungstechnik konnte eine spezifische, genetisch festgelegte Anordnung dieser 40.000 Sinneszellen eines Typs, ein sog. Expressionsmuster, gefunden werden. Diese Verteilungen treten symmetrisch in beiden Nasenhöhlen auf.

Abb. 3  Struktur eines menschlichen Riechrezeptors.

Funktionale Expression menschlicher Riechrezeptoren

Wir haben uns in den letzten Jahren vor allem mit der detaillierten Untersuchung der Riechrezeptorproteine beschäftigt, die in der Nase des Menschen vorkommen. Hinweise, dass es sich tatsächlich um die lang gesuchten Riechrezeptoren handeln könnte, kamen aus den Befunden, dass man sie spezifisch in Riechzellen findet und dass es eine zahlenmäßig sehr große, mehrere Hundert Mitglieder umfassende Genfamilie gibt, die entsprechend viele unterschiedliche solcher Proteine erzeugt. Für einen gesicherten Beweis war es notwendig, zu zeigen, dass diese Proteine Düfte erkennen und unterscheiden können und in der Lage sind, in der Zelle die Signalübertragungskaskade anzuschalten. Experimentell gingen wir deshalb folgendermaßen vor: Die menschlichen Riechrezeptorgene werden nach herkömmlichen molekularbiologischen Methoden aus genomischem Material des Menschen isoliert, kloniert und in Expressionsvektoren, gekoppelt an eine sog. Membranimportsequenz, eingebaut. Hierzu wählten wir nach dem Zufallsprinzip eine Familie von Rezeptorproteinen, deren Gene in einem Genkluster mit 20 Mitgliedern auf Chromosom 17 des Menschen zu finden sind, aus.
Humane Riechrezeptoren werden von uns in rekombinanten Systemen untersucht. Als rekombinantes Expressionssystem wird eine menschliche Nierenzelllinie (HEK293-Zellen) verwendet, z.T. auch eine Stammzelllinie aus olfaktorischen Basalzellen (Odora-Zellen). Mithilfe von viralen, aber auch Calcium-Prezipitations-Tansfektionsmethoden werden die Rezeptorgene zusammen mit einem expressionsverstärkenden Protein hsc70t (Neuhaus et al., 2006) in die Nierenzellen eingeschleust. Innerhalb weniger Stunden beginnen dann die Nierenzellen das entsprechende Riechrezeptorprotein herzustellen und in ihre Zellmembran einzubauen. In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung von Riechrezeptoren zum Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration in Zellen führt. Dies kann mit einem Calcium-sensitiven Farbstoff (Fura-2), der Veränderungen der Calciumkonzentrationen in der Zelle durch Verschiebung der Wellenlänge des imitierten Lichtes kenntlich macht, mithilfe von bildgebenden Verfahrenstechniken (Calcium-Imaging-System) life und in Echtzeit beobachtet werden. Die erfolgreiche Duftaktivierung eines spezifischen Rezeptorproteins wird dann durch die Erhöhung der Calciumkonzentration in der Zelle nach Applikation definierter Duftmischungen (Henkel 100, Symrise 100) nachgewiesen. Anschließende Unterteilung der stimulierenden Duftmischung und Analyse der Aktivität der einzelnen Fraktionen führen zur Identifizierung des(der) für die Aktivierung des Rezeptors verantwortlichen Duftmoleküls(e). Mit diesen Methoden gelang es uns, den ersten menschlichen Riechrezeptor (hOR17-40) zu charakterisieren. Dieser Rezeptor ist spezifisch für Helional und strukturell ähnliche Moleküle (z.B. Heliotropylazeton), ein Duft nach frischer Meeresbrise (Wetzel et al., 1999) (Abb. 4). Darüber hinaus haben wir zusätzlich biochemische Essay-Systeme (z.B. Fusion-Essay) aufgebaut, mithilfe derer wir im Hochdurchsatzverfahren größere Mengen an verschiedenen Duftstoffen auf einen bestimmten Rezeptor untersuchen können. Hierzu wird entweder eine stabile Zelllinie mit dem entsprechenden Rezeptor verwendet oder größere Mengen an nativem Material (z.B. Spermien), um eine genügend große Lichtausbeute bei der Biolumineszenz-Reaktion zu erhalten. Außerdem wurde am Lehrstuhl eine schnelle Applikationsmethode für die Zugabe von Duftstoffen etabliert. Hierbei handelt es sich um ein Ventil gesteuertes Mikroapplikationssystem, das erlaubt, in 7 getrennten Zuführungsleitungen von nur einigen Mikrometern Durchmesser verschiedene Duftstoffe sehr rasch (ca. 10 ms) auf Zellen zu applizieren und ebenso schnell wieder aus dem System zu entfernen. Besonders für Duftstoffe, deren Zellantwort schnell adaptiert ist, ist dies von Bedeutung und Notwendigkeit.

Abb. 4  Identifikation eines wirksamen Duftes für den menschlichen Rezeptor OR 17-40. Aus der Mischung von 100 verschiedenen Düften wurde die Substanz identifiziert, die den Rezeptor OR 17-40 aktiviert: Helional

Bestimmung des aktivierenden Duftes für einen menschlichen Riechrezeptor

Inzwischen konnten von uns weitere menschliche Rezeptoren hinsichtlich der aktivierenden Düfte identifiziert werden. Von besonderer Wichtigkeit erwies sich dabei der Rezeptor hOR17-4, der durch Maiglöckchen ähnliche Substanzen (Bourgeonal, Zyklamal) stimuliert wird (Spehr et al., 2003). Die Bestimmung des molekularen rezeptiven Feldes dieses Rezeptorproteins durch umfangreiche Strukturaktivitätsstudien zeigt, dass diese Rezeptor in der Lage ist, spezifisch eine bestimmte chemische Struktur eines Duftmoleküls zu erkennen (Abb. 5). Düfte, die diese funktionale Gruppe tragen, können die Konformation des Rezeptorproteins verändern und dadurch die biochemische Signalverstärkungskaskade in der Riechzelle starten. Dieses Grundprinzip ist für alle bisher untersuchten Riechrezeptoren gültig. Rezeptorproteine sind also nicht nur durch ein einziges spezifisches Duftmolekül erregbar, sondern durch eine umschriebene Gruppe von chemischen Substanzen mit definierten Strukturmerkmalen. Man kann deshalb davon ausgehen, dass die 350 aktiven Rezeptorgene (Zozulya et al., 2001) es dem Menschen erlauben, entsprechend viele einzelne Gruppen von Duftmolekülen zu erkennen und zu unterscheiden. Endgültig beweisen wird dies allerdings erst die Entschlüsselung und Charakterisierung aller beim Menschen vorkommender Rezeptoren. Die technischen Voraussetzungen hierfür sind vorhanden.
Interessanterweise konnten wir im Rahmen dieser Liganden-Screeningexperimente für den Rezeptor hOR17-4 nicht nur aktivierende, sondern auch antagonistisch wirkende, also blockierende Duftmoleküle (z.B. Undecanal) entdecken (Abb. 5). Undecanal und strukturell ähnliche Moleküle sind in der Lage, mit den Agonisten um die Bindestelle zu kompetitieren und bei entsprechenden Konzentrationsverhältnissen die Aktivierung des Rezeptors zu verhindern. Vor kurzem konnten wir durch sog. „sniffing tests“ mit Probanden und elektrophysiologische Messungen am menschlichen Riechepithel (EOG) zeigen, dass der Rezeptor hOR17-4 in Riechzellen der menschlichen Nase durch den antagonistisch wirkenden Duftstoff blockiert (Spehr et al., 2005). Dadurch wird unter allen 350 Rezeptoren spezifisch nur der Rezeptor für Maiglöckchenduft ausgeschaltet und selektiv die Wahrnehmung dieses Duftes verhindert.
Damit konnte erstmals gezeigt werden, dass, ähnlich wie von vielen pharmakologischen Rezeptoren (Adrenalin, Opiat) bereits bekannt, ein Riechrezeptor spezifisch blockiert und der Geruch eines bestimmten Duftes selektiv ausgeblendet werden kann. Durch weitere Entwicklung von spezifischen Duftblockern für menschliche Rezeptoren lassen sich nicht nur übelriechende Gerüche selektiv ausschalten (z. B. Toilettengeruch, Schweißgeruch), sondern auch die Duftwahrnehmung von Zellen außerhalb der Nase selektiv blockieren.

Abb. 5  Spezifität des menschlichen Rezeptors OR 17-4.

Molecular Modelling

Durch die hohe Strukturhomologie der bisher identifizierten Riechrezeptoren und unterschiedlich wirksamen Duftmoleküle war es uns auch erstmals möglich, Aminosäuren im Rezeptorprotein zu identifizieren, die potentiell an der Bindung des Duftmoleküls beteiligt sind. Mithilfe von Computer unterstützten sog. „molecular modelling“-Verfahren können damit in Zukunft Strukturvorhersagen für den idealen Duft an einem bestimmten Rezeptor gemacht oder umgekehrt ein Rezeptorprotein mit einem optimalen Bindungsareal für einen bestimmten Duft konstruiert werden (Tacke et al., 2007). Ein lang gehegter Traum der Wissenschaftler und der Industrie könnte somit in Erfüllung gehen, für einen Riechrezeptor den perfekten Duft zu designen oder durch Veränderung am Rezeptor einen „Super“-Riechsensor für einen definierten Duft zu erzeugen (Abb. 8).

Abb. 8  Hypothetisches Computermodell der Bindestelle am menschlichen Riechrezeptor OR 17-40.

Erkennung und Unterscheidung von Düften

Die meisten Düfte, mit denen wir im normalen Leben konfrontiert werden, sind keine chemisch reinen Einzelsubstanzen, sondern Mischungen aus sehr vielen chemischen Komponenten. So bestehen Blumendüfte meist aus mehreren hundert Einzelkomponenten, ähnliche Zahlen findet man auch bei modernen Parfums oder im Nahrungsmittelsektor. Wie funktioniert es, dass wir eine Orange von einer duftenden Rose unterscheiden können (Shepherd, 1994)? Wie bereits erwähnt, besitzen wir ca. 350 verschiedene Typen von Riechsinneszellen, von denen jede einzelne nur einen Typ von Rezeptor herstellt und deshalb sehr spezifisch für eine kleine Gruppe chemisch nah verwandter Substanzen ist. Alle Zellen eines bestimmten Typs, also alle ca. 50.000, senden ihre Nervenfortsätze zu einem ganz bestimmten kugelförmigen Gebilde (Glomerulus) in unser Riechhirn (Bulbus olfactorius). Nehmen wir an, wir würden chemisch reine Vanille in geringer Konzentration riechen, so würde nur der Typ von Riechzellen aktiviert werden, der das passende Rezeptorprotein für die Erkennung von Vanille besitzt, also die sog. Vanillezellen. Diese senden ihre Nervenfortsätze zu einem bestimmten Glomerulus (Mombaerts, 1996), dem "Vanilleglomerulus", ähnliches gilt für einen „Moschus-Glomerulus“ oder „Buttersäure-Glomerulus“. Riecht man eine Mischung aus mehreren chemischen Komponenten, so werden entsprechend mehrere Rezeptorzelltypen und damit auch mehrere dieser Glomeruli gleichzeitig im Riechhirn aktiviert. Die Kombination beinhaltet die Information, welche Duftmischung wir gerochen haben. Rosenduft zeigt eine charakteristische Glomerulikombination, eine andere Kombination von Glomeruli wird von Orangenduft aktiviert, zum Teil können sie sich überlappen (Abb. 9). In der Psychologie könnte man es am besten mit dem Begriff "Gestalterkennung" beschreiben. Jeder Duft hat seine charakteristische Gestalt im Sinne eines für ihn typischen Aktivierungsmusters bestimmter Glomeruli. Haben wir einen Duft einmal gelernt, so können wir ohne weiteres einen Teil der Information weglassen und werden trotzdem noch den Duft wiedererkennen. So kann man die Zahl der chemischen Komponenten eines Mischduftes stark reduzieren und trotzdem werden wir ihn noch identifizieren können, z.B. als künstlichen Rosenduft oder künstliches Orangenaroma. Dies erlaubt natürlich auch der Industrie, uns zu manipulieren. Es können uns künstliche Aromastoffe, z.B. Pfirsich, Trüffel oder Lachsaroma als Naturprodukte vorgegaukelt werden, ohne dass diese Stoffe in der Nahrung enthalten sind. Wir können auch mit künstlichen Aromastoffen angelockt (z.B. zum Brotduft) oder verführt werden (z.B. mit Neuwagenduftaroma oder Lederaroma), Gegenstände für gut und teuer zu halten, ohne dass es der Wirklichkeit entspricht. In der Werbung werden Düfte häufig als die geheimen Verführer bezeichnet, sie können uns unbewusst manipulieren, aber, wie wir aus der Aromatherapie wissen, auch viele positive Wirkungen ausüben.

Abb. 9  Modell der Unterscheidung des Rosen- und Orangenduftes im Bulbus olfactorius durch kombinatorische Aktivierung von Glomeruli („Gestalterkennung“).

Hinweise zum Weiterlesen
Buck L., Axel R. (1991) A novel multigene family may encode odorant receptors: A molecular basis for odor reception. Cell 65, 175-187.

Reed R.R. (1992) Signaling pathways in odorant detection. Neuron 8, 205-209.

Zufall F., Hatt H., Shepherd G.M., Firestein S. (1993) Rapid application of second messengers to recombinant cyclic nucleotide-gated ion channels reveals new mechanisms of signal transduction. Pflügers Arch., 422: R53.

Shepherd G.M. (1994) Discrimination of molecular signals by the olfactory receptor neuron. Neuron 13, 771-790.

Weyand I., Godde M., Frings S., Weiner J., Müller F., Altenhofen W., Hatt H., Kaupp U.B. (1994) Cloning and functional expression of a cyclic-nucleotide-gated channel from mammalian sperm. Nature 368, 859-863.

Mombaerts P. (1996b) Targeting olfaction. Curr. Opin. Neurobiol. 6, 481-486.

Thürauf N, Kobal G, Giuric M, Hatt H (1996) Cyclic nucleotide-gated channels in identified human olfactory receptor neurons. Eur. J. Neurosci. 8, 2080-2089.

Wetzel CH, Oles M, Wellerdieck Ch, Kuczkowiak M, Gisselmann G, Hatt H (1999) Specifity and sensitivity of a human olfactory receptor functionally expressed in human embryonic kidney 293 cells and Xenopus laevis oocytes. J. Neurosci 19(17), 7426-7433.

Zozulya S, Echeverri F, Nguyen (2001) The human olfactory receptor repertoire. Genome Biol. 2, 1-12.

Spehr M., Gisselmann G., Poplawski A., Riffell J.A., Wetzel C.H., Zimmer R.K., Hatt H. (2003) Identification of a testicular odorant receptor mediating human sperm chemotaxis. Science: 299: 2054-2058.

Spehr M., Schwane K., Heilmann S., Gisselmann G., Hummel H., Hatt H. (2004) Dual capacity of a human olfactory receptor. Curr. Biol. 14(19): 832-833

Spehr M., Schwane K., Riffell J.A., Barbour J., Zimmer R.K., Neuhaus E.M., Hatt H. (2004) Particulate adenylate cyclase plays a key role in human sperm olfactory receptor-mediated chemotaxis. J. Biol. Chem. 279(38): 40194-40203

Neuhaus, E.M., Mashukova, A., Zhang, W., Barbour, J., Hatt, H. (2006). A specific heat shock protein enhances the expression of mammalian olfactory receptor proteins. Chem. Senses 31, 445-452

Neuhaus, E.M., Mashukova, A., Barbour,J., Wolters, D., Hatt, H. (2006). Novel function of ß-arrestin2 in the nucleus of mature spermatozoa. J. Cell Sci. 119: 3047-3056

Doszczak L., Kraft P., Weber H.P., Bertermann R., Triller A., Hatt H., Tacke R. (2007) Prediction of perception: probing the hOR17-4 olfactory receptor model with silicon-analogues of Bourgeonal and Lilial. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., April 2