Исследователи из Национального института здоровья обнаружили молекулу в модели на животных, которая играет ключевую роль в установлении организации слуховой системы. Молекула, белок, известный как Bmp7, вырабатывается во время эмбрионального развития и помогает сенсорным клеткам найти свое окончательное положение на тонотопической карте, что является фундаментальным принципом организации слуховой системы. На тонотопической карте сенсорные клетки группируются по звуковым частотам, которые их стимулируют. В исследовании впервые выявлен один из молекулярных механизмов, определяющих положение.
Результаты исследования, проведенного Зои Ф. Манн, доктор философии.Д. и Мэтью В. Келли, доктор философии.D., лаборатории развития улитки Национального института глухоты и других коммуникативных расстройств (NIDCD), были опубликованы в выпуске журнала Nature Communications от 20 мая 2014 г. Исследование проводилось в сотрудничестве с учеными из Медицинской школы Университета Вирджинии (UVa) в Шарлоттсвилле и Имперского колледжа в Лондоне. Дополнительную поддержку оказал Американский фонд исследований слуха.
Дополнительное исследование, опубликованное в том же издании, проводится под руководством исследователей Бенджамина Р., поддерживаемых NIDCD. Thiede, Ph.D., и Джеффри Т. Корвин, доктор философии.D. в UVa. Работая в сотрудничестве с докторами. Манн и Келли, исследователи обнаружили, что другая сигнальная молекула, ретиноевая кислота, действует совместно с Bmp7, чтобы позиционировать клетки.
"Полученные данные могут открыть двери для методов лечения, которые используют преимущества навигационных талантов Bmp7 для управления формированием регенерированных сенсорных клеток, настроенных на реакцию на определенную частоту," говорит Джеймс Ф. Бэтти младший., M.D., Ph.D., директор NIDCD. "Поскольку многие формы потери слуха ограничены определенными частотами, этот подход может привести к замене сенсорных клеток, адаптированных к индивидуальным потребностям."
Человеческое ухо может улавливать широкий диапазон частот, от тихого грохота далекого грома до пронзительного воска комара. Сенсорные клетки, которые улавливают эти звуки, называются волосковыми клетками, названными в честь волосоподобных прядей, которые группируются на их вершинах. Волосковые клетки распределены по плоской поверхности, называемой базилярной мембраной, которая сворачивается, как ковер, и складывается в структуру в форме раковины улитки во внутреннем ухе, называемую улиткой.
Наш замечательный диапазон слуха отчасти объясняется тем, что волосковые клетки имеют разную специализацию. Вместо того, чтобы воспринимать все звуковые частоты, каждая из наших примерно 16000 волосковых клеток предназначена для узкого диапазона. Волосковые клетки расположены по длине или оси базилярной мембраны в зависимости от частоты, которую они обнаруживают. Те, кто улавливает низкие частоты, находятся на одном конце, а те, которые улавливают высокочастотные звуки, – на противоположном конце. Ячейки между переходами через средние частоты.
Такое пространственное расположение волосковых клеток на базилярной мембране – тонотопическая карта – известно уже много лет. Неизвестно, как каждая волосковая клетка учится "слышать" конкретные частоты.
"Во время развития волосковым клеткам в каждой позиции вдоль оси необходимо выяснить, где они находятся, чтобы знать, на какой частоте они должны слушать," сказал доктор. Келли. "Это называется позиционной идентичностью. Мы хотели узнать, как волосковые клетки определяют свое положение."
Доктор. Келли подозревал, что, подобно числам на линейке, положения волосковых клеток вдоль базилярной мембраны были отмечены ступенчатыми различиями в уровне сигнальной молекулы, которая будет определять положение. Было показано, что градиенты молекулярной концентрации такого рода управляют расположением других типов клеток в организме во время развития.
Чтобы выяснить, может ли такая сигнальная молекула участвовать в структурной организации улитки, Dr. Манн исследовал базилярный сосочек шестидневных куриных эмбрионов. Базилярный сосочек у кур похож на улитку у млекопитающих, волосковые клетки расположены по длине его базилярной мембраны аналогичным образом в зависимости от частоты встречаемости. Исследователи пришли к выводу, что если бы в позиционировании волосковых клеток участвовал градиент молекулярной концентрации, уровень молекулы был бы выше на одном конце базилярного сосочка, чем на другом.
Когда они разделили базилярный сосочек пополам в поисках молекул, одна из них выделялась из-за разительной разницы в ее уровне между двумя половинами – Bmp7 – сигнальный белок, который, как известно, играет роль в развитии костей и почек. Дополнительные эксперименты выявили постепенный градиент уровня Bmp7 по длине базилярного сосочка.
Затем исследователи показали, что Bmp7 способствует развитию волосковых клеток, чувствительных к низкой частоте. Когда они омыли развивающиеся базилярные сосочки в растворе, содержащем Bmp7, они обнаружили, что все волосковые клетки развивали характеристики волосковых клеток, чувствительных к низкой частоте, даже те, которые находятся на высокочастотном конце.
Эти данные свидетельствуют о том, что во время эмбрионального развития высокие уровни Bmp7 на одном конце базилярного сосочка сигнализируют об образовании волосковых клеток, чувствительных к низкой частоте. Снижение уровней Bmp7 по длине карты базилярного сосочка с постепенным изменением в сторону настройки на более высокие частоты.
В дальнейшей работе д-р. Келли и его команда стремятся использовать модель мыши, чтобы понять роль Bmp7 в определении положения волосковых клеток в организме млекопитающих. Bmp7, как известно, присутствует в клетках внутреннего уха млекопитающих, что предполагает возможную роль молекулы в настройке. Исследователи надеются, что смогут определить его точную роль в формировании паттернов частей слуховой системы.
"Вся слуховая система собрана по индивидуальным частотам," сказал доктор. Келли. "Сложные звуки, такие как музыка или речь, состоящие из множества разных частот, разделяются на отдельные частоты в ухе, обрабатываются по отдельным каналам, а затем повторно собираются в мозгу. Выявив роль, которую играет Bmp7 в формировании паттерна волосковых клеток во внутреннем ухе, мы, возможно, раскрыли более широкую роль молекулы в слуховой системе в целом."