Группа исследователей создала карту развития ключевой структуры восприятия звука во внутреннем ухе мыши. Ученые из Национального института глухоты и других коммуникативных расстройств (NIDCD), входящего в состав Национального института здоровья, и их сотрудники проанализировали данные из 30 000 клеток улитки мыши, структуры внутреннего уха в форме улитки. Результаты дают представление о генетических программах, которые управляют образованием клеток, важных для распознавания звуков. Исследование также проливает свет на основную причину потери слуха, связанную с синдромом Элерса-Данлоса и синдромом Лойса-Дитца.
Данные исследования публикуются на уникальной платформе, открытой для любого исследователя, что создает беспрецедентный ресурс, который может стать катализатором будущих исследований потери слуха. Под руководством Мэтью В. Келли, доктор философии.D., руководитель отдела нейробиологии развития в NIDCD, исследование появилось в Интернете в Nature Communications. В исследовательскую группу входят исследователи из Медицинской школы Университета Мэриленда в Балтиморе; Decibel Therapeutics, Бостон; и Королевский колледж Лондона.
"В отличие от многих других типов клеток в организме, сенсорные клетки, которые позволяют нам слышать, не обладают способностью к регенерации, когда они становятся поврежденными или больными," сказал директор NIDCD Дебара Л. Туччи, М.D., который также является отоларингологом-хирургом головы и шеи. "Уточняя наше понимание того, как эти клетки образуются в развивающемся внутреннем ухе, эта работа является важным активом для ученых, работающих над терапевтическими средствами на основе стволовых клеток, которые могут лечить или обращать вспять некоторые формы потери слуха внутреннего уха."
У млекопитающих первичными преобразователями звука являются волосковые клетки, которые распределены по тонкой ленте ткани (кортиев орган), которая проходит по длине спиральной улитки. Есть два типа волосковых клеток, внутренние волосковые клетки и внешние волосковые клетки, и они структурно и функционально поддерживаются несколькими типами поддерживающих клеток. Во время развития пул почти идентичных клеток-предшественников дает начало этим различным типам клеток, но факторы, управляющие преобразованием предшественников в волосковые клетки, полностью не изучены.
Чтобы узнать больше о том, как формируется улитка, команда Келли воспользовалась методом, называемым секвенированием одноклеточной РНК. Этот мощный метод позволяет исследователям анализировать паттерны активности генов отдельных клеток. Ученые могут многое узнать о клетке из ее набора активных генов, потому что гены кодируют белки, которые определяют функцию клетки. Паттерны активности генов клеток меняются в процессе развития или в ответ на окружающую среду.
"В улитке всего несколько тысяч волосковых клеток, и они расположены близко друг к другу в сложную мозаику, что затрудняет выделение и определение характеристик клеток," сказал Келли. "Секвенирование одноклеточной РНК предоставило нам ценный инструмент для отслеживания поведения отдельных клеток по мере того, как они занимают свое место в сложной структуре развивающейся улитки."
Основываясь на своей более ранней работе с 301 клеткой, команда Келли намеревалась изучить профили активности генов 30000 клеток улитки мыши, собранные в четырех временных точках, начиная с 14-го дня эмбрионального развития и заканчивая седьмым постнатальным днем. В совокупности данные представляют собой обширный каталог информации, которую исследователи могут использовать для изучения развития улитки и изучения генов, лежащих в основе унаследованных форм нарушения слуха.
Команда Келли сосредоточилась на одном таком гене, Tgfbr1, который был связан с двумя состояниями, связанными с потерей слуха: синдромом Элерса-Данлоса и синдромом Лойса-Дитца. Данные показали, что Tgfbr1 активен в предшественниках наружных волосковых клеток уже на 14-й день эмбрионального развития, что позволяет предположить, что ген важен для инициации образования этих клеток.
Чтобы изучить роль Tgfbr1, исследователи заблокировали активность белка Tgfbr1 в улитке от 14 лет.5-дневные эмбрионы мышей. Когда они исследовали улитки пятью днями позже, они обнаружили меньше наружных волосковых клеток по сравнению с улитками эмбриональных мышей, которые не обрабатывались блокатором Tgfbr1. Это открытие предполагает, что потеря слуха у людей с мутациями Tgfbr1 может быть связана с нарушением образования наружных волосковых клеток во время развития.
Исследование позволило получить дополнительную информацию о ранних стадиях развития улитки. Пути развития внутренних и внешних волосковых клеток рано расходятся; исследователи наблюдали различные паттерны активности генов на самом раннем этапе исследования, на 14-й день эмбрионального развития. Это говорит о том, что предшественники, из которых происходят эти клетки, не так однородны, как считалось ранее. Для характеристики начальных этапов формирования волосковых клеток необходимы дополнительные исследования клеток, собранных на более ранних стадиях.
В будущем ученые, возможно, смогут использовать данные, чтобы направлять стволовые клетки к линии волосковых клеток, помогая производить специализированные клетки, необходимые для тестирования подходов к замене клеток для обращения вспять некоторых форм потери слуха. Результаты исследования также представляют собой ценный ресурс для изучения механизма слуха и его сбоев при врожденных формах потери слуха.
Авторы сделали свои данные доступными через портал gEAR (ресурс анализа экспрессии генов), веб-платформу для обмена, визуализации и анализа больших многомерных наборов данных. Поддержкой портала занимается Ронна Герцано, М.D., Ph.D., и ее команда из отделения оториноларингологии и Института геномных наук (IGS) Медицинской школы Университета Мэриленда.
"Данные секвенирования одноклеточной РНК очень сложны и обычно требуют значительных навыков для доступа," сказал Герцано. "Распространяя данные этого исследования через gEAR, мы создаем «энциклопедию» генов, экспрессируемых в развивающемся внутреннем ухе, трансформируя базу знаний в нашей области и делая эту надежную информацию открытой и понятной для биологов и других исследователей."