Команда исследователей, поддерживаемых Национальным институтом здравоохранения (NIH), первой продемонстрировала на мышах неожиданный двухэтапный процесс, который происходит во время роста и регенерации звеньев внутреннего уха. Концевые звенья – это внеклеточные тросы, которые связывают стереоцилии, крошечные сенсорные выступы на волосковых клетках внутреннего уха, которые преобразуют звук в электрические сигналы и играют ключевую роль в слухе. Открытие предлагает возможный механизм потенциальных вмешательств, которые могут сохранить слух у людей, потеря слуха которых вызвана генетическими нарушениями, связанными с дисфункцией концевого звена. Работа была поддержана Национальным институтом глухоты и других коммуникативных расстройств (NIDCD), входящим в состав Национальных институтов здравоохранения.
Результаты опубликованы в онлайн-выпуске журнала PLOS Biology от 11 июня 2013 г. Старшим автором этого исследования является Григорий I. Фроленков, доцент Медицинского колледжа Университета Кентукки в Лексингтоне, и его коллега Артур А. Инджикулиан, к.D., ведущий автор.
Стереоцилии – это пучки щетинистых выступов, которые отходят от верхушек сенсорных клеток, называемых волосковыми клетками, во внутреннем ухе. Каждый пучок стереоцилий выстроен в три аккуратных ряда, которые поднимаются от нижнего к верхнему, как ступеньки лестницы. Концевые звенья представляют собой крошечные нитевидные нити, которые соединяют кончик более короткой стереоцилии со стороной более высокой, расположенной за ней. Когда звуковые колебания проникают во внутреннее ухо, все стереоцилии, соединенные концевыми звеньями, наклоняются в одну сторону и открывают специальные каналы, называемые каналами механотрансдукции. Эти порообразные отверстия позволяют ионам калия и кальция проникать в волосковую клетку и запускать электрический сигнал, который в конечном итоге попадает в мозг, где он интерпретируется как звук.
Результаты основаны на ряде недавних открытий, сделанных в лабораториях NIDCD и других лабораторий, в которых была тщательно построена структура и функция концевых звеньев и белков, которые их составляют. Более ранние исследования показали, что концевые звенья состоят из двух белков – кадгерина-23 (CDH23) и протокадгерина-15 (PCDH15), которые соединяются для образования связи, причем PCDH15 находится внизу концевой связи в месте механотрансдукции. канал, и CDH23 на верхнем конце. Ученые предположили, что сборка была статической и стабильной после того, как два белка связались.
Ссылки на наконечниках легко ломаются под воздействием шума. Но в отличие от волосковых клеток, которые не могут регенерироваться у человека, концевые звенья восстанавливаются, в основном, в течение нескольких часов. О разрыве звеньев наконечников и их регенерации известно много лет, и они рассматриваются как одна из причин временной потери слуха, которая может возникнуть после громкого звука (или громкого концерта). Как только звенья кончика регенерируют, функция волосковых клеток обычно возвращается к нормальному уровню. Ученые не знали, как собиралось звено наконечника.
Чтобы изучить сборку концевых звеньев, исследователи обработали молодые постнатальные (5-7 дней) сенсорные волосковые клетки мыши с помощью BAPTA – вещества, которое, подобно громкому шуму, повреждает и разрушает концевые звенья. Чтобы получить изображение белков, группа впервые применила усовершенствованный метод мечения иммунным золотом с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), в котором используются антитела, связанные с частицами золота, которые прикрепляются к белкам. Затем с помощью SEM они визуализировали клетки с высоким разрешением, чтобы определить положения белков до, во время и после обработки BAPTA.
Исследователи обнаружили, что после химического разрушения концевого звена формируется новое концевое звено, но вместо обычной комбинации CDH23 и PCDH15 связь состоит из белков PCDH15 на обоих концах. В течение следующих 24 часов белок PCDH15 на верхнем конце заменяется на CDH23, и верхнее звено возвращается в нормальное состояние.
Почему концевые ссылки регенерируются с использованием двухэтапного, а не одноэтапного процесса, неизвестно. По причинам, которые до сих пор неясны, CDH23 исчезает из стереоцилий после повреждения шумом, в то время как PDCH15 остается. Стремясь к быстрой регенерации, нижний PDCH15 защелкивается на другом PDCH15, образуя более короткое и функционально немного более слабое концевое звено. Позже, через 36 часов после повреждения, когда CDH23 возвращается, PDCH15 отказывается от своего временного партнера и цепляется за своего гораздо более сильного партнера в CDH23. Другими словами, PDCH15 предпочитает быть с CDH23, но в крайнем случае он будет слабо связываться с другим битом PDCH15, пока не появится CDH23.
Исследователи объединили наблюдения SEM с электрофизиологическими исследованиями, чтобы показать, как функциональные свойства концевых звеньев менялись в течение этого двухэтапного процесса. Временная перемычка PCDH15 / PCDH15 имеет несколько иной функциональный отклик, чем постоянная комбинация PDCH15 / CDH23. Исследователи смогли сопоставить различия в функциях с комбинациями белков, составляющими концевое звено.
Дополнительные эксперименты показали, что при развитии волосковых клеток концевые звенья используют тот же двухэтапный процесс.
Предыдущие исследования показали, что и CDH23, и PCDH15 необходимы для нормального слуха и зрения. Фактически, ученые NIDCD в более ранних исследованиях показали, что мутации в любом из этих генов могут вызывать потерю слуха или слепоглухоту, обнаруженную при синдроме Ашера типов 1D и 1F.
"В случае глухих людей, которые не могут вырабатывать функциональный CDH23, знание этого нового временного альянса белков PCDH15 для формирования более слабого, но все еще функционального концевого звена может помочь в лечении, которое будет способствовать тому, чтобы двойная связь PCDH15 стала постоянной и сохранялась на прежнем уровне. наименее ограниченный слух," сказал Том Фридман, доктор философии.D., заведующий лабораторией молекулярной генетики NIDCD, где начались исследования.