Используя генетические инструменты у мышей, исследователи из Johns Hopkins Medicine заявили, что они идентифицировали пару белков, которые точно контролируют, когда во внутреннем ухе млекопитающих рождаются улавливающие звук клетки, известные как волосковые клетки. Белки, описанные в отчете, опубликованном 12 июня в eLife, могут стать ключом к будущим методам лечения по восстановлению слуха у людей с необратимой глухотой.
"Ученые в нашей области давно ищут молекулярные сигналы, которые запускают образование волосковых клеток, которые воспринимают и передают звук," говорит Анжелика Дёцльхофер, доктор философии.D., адъюнкт-профессор нейробиологии Медицинского факультета Университета Джона Хопкинса. "Эти волосковые клетки играют важную роль в потере слуха, и знание того, как они развиваются, поможет нам найти способы замены поврежденных волосковых клеток."
Чтобы млекопитающие могли слышать, звуковые колебания проходят через полую структуру, напоминающую раковину улитки, которая называется улиткой. Внутри улитки выстланы два типа звукочувствительных клеток: внутренние и внешние волосковые клетки, которые передают звуковую информацию в мозг.
Примерно 90% генетической потери слуха вызвано проблемами с волосковыми клетками или повреждением слуховых нервов, соединяющих волосковые клетки с мозгом. Глухота из-за воздействия громкого шума или определенных вирусных инфекций возникает из-за повреждения волосковых клеток. В отличие от своих собратьев у других млекопитающих и птиц, волосковые клетки человека не могут восстанавливаться. Таким образом, если волосковые клетки повреждены, потеря слуха, скорее всего, необратима.
Ученым известно, что первый этап рождения волосковых клеток начинается в самой внешней части спиральной улитки. Здесь клетки-предшественники начинают трансформироваться в волосковые клетки. Затем, как спортивные болельщики, выступающие "волна" на стадионе клетки-предшественники по спиральной форме улитки превращаются в волосковые клетки по волне трансформации, которая прекращается, когда достигает внутренней части улитки. Зная, где начинают свое развитие волосковые клетки, Дётцльхофер и ее команда отправились на поиски молекулярных сигналов, которые находились в нужном месте и в нужное время вдоль спирали улитки.
Из изученных исследователями белков структура двух белков, активина А и фоллистатина, выделялась среди остальных. По спиральному пути улитки уровни активина А увеличивались там, где клетки-предшественники превращались в волосковые клетки. Однако фоллистатин, по-видимому, ведет себя противоположно активину А. Его уровни были низкими в самой внешней части улитки, когда клетки-предшественники только начинали превращаться в волосковые клетки, и высокими в самой внутренней части спирали улитки, где клетки-предшественники еще не начали свое преобразование. Активин А, казалось, движется волной внутрь, в то время как фоллистатин движется волной наружу.
"В природе мы знали, что активин А и фоллистатин действуют противоположным образом, регулируя клетки," говорит Doetzlhofer. "Итак, похоже, что, основываясь на наших выводах, например, в ухе, два белка выполняют уравновешивающее действие на клетки-предшественники, чтобы контролировать упорядоченное формирование волосковых клеток вдоль спирали улитки."
Чтобы выяснить, как именно активин А и фоллистатин координируют развитие волосковых клеток, исследователи изучили эффекты каждого из двух белков по отдельности. Во-первых, они повысили уровень активина А в улитке нормальных мышей. У этих животных клетки-предшественники трансформировались в волосковые клетки слишком рано, в результате чего волосковые клетки преждевременно появлялись по всей спирали улитки. У мышей, сконструированных таким образом, чтобы либо чрезмерно продуцировать фоллистатин, либо вообще не продуцировать активин А, волосковые клетки формировались с опозданием и выглядели неорганизованными и разбросанными по нескольким рядам внутри улитки.
"Действие активина А и фоллистатина настолько точно рассчитано во время развития, что любое нарушение может негативно повлиять на организацию улитки," говорит Doetzlhofer. "Это похоже на постройку дома – если фундамент заложен неправильно, пострадает все, что на нем построено."
При более внимательном рассмотрении того, почему избыточное производство фоллистатина приводит к дезорганизации волосковых клеток, исследователи обнаружили, что высокие уровни этого белка заставляли клетки-предшественники делиться чаще, что, в свою очередь, заставляло их превращаться во внутренние волосковые клетки случайным образом.
Дотцльхофер отмечает, что ее исследования развития волосковых клеток, хотя и являются фундаментальными, имеют потенциальное применение для лечения глухоты, вызванной поврежденными волосковыми клетками: "Нас интересует, как эволюционировали волосковые клетки, потому что это интересный биологический вопрос," она говорит. "Но мы также хотим использовать эти знания для улучшения или разработки новых стратегий лечения потери слуха."