Используя новую чувствительную технологию под названием single-cell RNA-seq на клетках мышей, ученые создали первую карту экспрессии генов внутреннего уха новорожденных мышей с высоким разрешением. Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на то, как эпителиальные клетки внутреннего уха развиваются и дифференцируются в специализированные клетки, которые выполняют важные функции для слуха и поддержания баланса. Понимание того, как формируются эти важные клетки, может обеспечить основу для потенциальной разработки клеточной терапии для лечения потери слуха и нарушений равновесия. Исследование было проведено учеными Национального института глухоты и других коммуникативных расстройств (NIDCD), входящего в состав Национальных институтов здравоохранения.
В сопутствующем исследовании, проведенном при поддержке NIDCD учеными из Медицинской школы Университета Мэриленда и учеными из Медицинской школы Саклера при Тель-Авивском университете, исследователи использовали аналогичную технику для определения семейства белков, критически важных для развития клеток внутреннего уха. Оба исследования были опубликованы в Интернете 15 октября в журнале Nature Communications.
"Связанная с возрастом потеря слуха у большинства из нас возникает постепенно по мере взросления. Это одно из наиболее распространенных заболеваний среди пожилых людей, которым страдает половина людей старше 75 лет," сказал Джеймс Ф. Бэтти младший., M.D., Ph.D., директор NIDCD. "Эти новые открытия могут привести к новым методам регенеративного лечения этой критической проблемы общественного здравоохранения."
Специализированные сенсорные эпителиальные клетки внутреннего уха включают волосковые клетки и поддерживающие клетки, которые обеспечивают волосковым клеткам важную структурную и функциональную поддержку. Волосковые клетки и опорные клетки, расположенные в улитке – структуре в форме улитки во внутреннем ухе – работают вместе, чтобы улавливать звук, что позволяет нам слышать. Напротив, волосковые клетки и поддерживающие клетки в мочеиспускательном канале, заполненном жидкостью мешочке возле улитки, играют решающую роль в поддержании баланса. Эти клетки определяют, как мы двигаем головами и как они располагаются; эта информация сообщает нашему мозгу, например, стоим мы или лежим. Моча – это одна из нескольких структур и органов тела, которые обеспечивают наше чувство равновесия; вместе они составляют вестибулярную систему.
Волосковые клетки и поддерживающие клетки могут быть повреждены лекарствами, инфекциями или болезнями, травмами или старением, что приводит к потере слуха и проблемам с равновесием. У людей эти клетки не могут восстанавливаться естественным путем, поэтому эффективное лечение ограничено.
Кроме того, таких сенсорных клеток всего несколько тысяч; они заправлены глубоко в костный канал, что затрудняет их изучение.
Чтобы лучше понять развитие клеток внутреннего уха, Мэтью Келли, доктор философии.D., руководитель отдела нейробиологии развития в NIDCD и его исследовательская группа использовали одноклеточную РНК-секвенцию, новую технологию, которая может извлекать исчерпывающие данные об активности генов всего из одной клетки. Для других методов получения данных этого типа обычно требуются тысячи ячеек. Знание того, какие гены активны, может многое рассказать ученым об индивидуальных характеристиках и функциях клетки.
Команда Келли проанализировала 301 клетку – некоторые волосковые клетки и некоторые поддерживающие клетки – взятые из улитки и матки новорожденных мышей. Сравнивая профили активности генов клеток, исследователи обнаружили уникальные закономерности в волосковых клетках и поддерживающих клетках. Они также обнаружили доказательства наличия подгрупп клеток внутри каждого из этих классов. Хотя об этих подгруппах мало что известно, исследователи предполагают, что различные паттерны активности генов клеток могут отражать специализированные функции.
Данные также позволили ученым идентифицировать различные паттерны развития активности генов. Клетки вестибулярной части внутреннего уха развиваются с несколько разной скоростью, поэтому каждая клетка находилась на несколько разном этапе своей зрелости, когда исследователи изучали ее. Анализируя профили активности генов клеток, ученые смогли идентифицировать гены, которые активны на каждой стадии развития, выявив важные подсказки о том, как формируются специализированные волосковые клетки.
"Использование этого метода профилирования отдельных клеток дает новый вариант определения генетической активности клеток, особенно в системах с ограниченным количеством клеток, таких как внутреннее ухо," сказал Келли, старший автор исследования. "Идентификация карт экспрессии генов для развития клеток внутреннего уха имеет важное значение для понимания того, как они формируются, и может помочь нам создать способы регенерации этих клеток."
Во втором исследовании исследователи также воспользовались технологией RNA-seq. Исследователи использовали вычислительно-экспериментальный подход для поиска общих регуляторных областей в генах, экспрессируемых в волосковых клетках. Ученые обнаружили, что группа генных регуляторов под названием Regulatory Factor Xs (RFX) помогает управлять генами, которые преимущественно активны в волосковых клетках.
Исследователи также показали, что гены RFX играют важную роль в слухе. Мыши, лишенные двух белков RFX, начали терять свои волосковые клетки и слух примерно через две недели после рождения. Через три месяца эти мыши полностью потеряли слух. Исследователи пришли к выводу, что регуляторы гена RFX, хотя и не имеют решающего значения на раннем этапе развития волосковых клеток, необходимы для их созревания и долгосрочного выживания.