В исследовании, опубликованном в выпуске журнала Nature от 6 сентября 2007 года, исследователи показали, что два ключевых белка соединяются вместе в том месте, где энергия движения превращается в электрические импульсы. Эти белки, кадгерин 23 и протоколадгерин 15, являются частью комплекса белков, называемых «концевыми звеньями», которые находятся на волосковых клетках внутреннего уха. Считается, что концевое звено выполняет центральную функцию в преобразовании физических сигналов в электрохимические сигналы.
«Мутации в [генах] кадгерина 23 и протокадгерина 15 могут вызывать глухоту, а также синдром Ашера, ведущую причину слепоглухоты у людей», – говорит профессор Ульрих Мюллер из Исследовательского отдела клеточной биологии Скриппса и Института детства. Заболевания, которым не уделяется должного внимания. «Возрастная потеря слуха у людей также может быть связана с проблемами в ссылках на подсказки.”
«Эта команда помогла разгадать одну из давних загадок в этой области», – говорит Джеймс Ф. Бэтти младший., директор Национального института глухоты и других коммуникативных расстройств (NIDCD), одного из Национальных институтов здоровья (NIH). «Чем лучше мы понимаем ключевой момент, в котором человек может различать звук, тем ближе мы к разработке более точных методов лечения людей с потерей слуха, состоянием, которым страдают примерно 32 человека.5 миллионов человек только в Соединенных Штатах.”
Физиология слуха и глухоты
Детское и возрастное нарушение слуха – серьезная проблема в нашем обществе. По данным NIDCD, каждый третий человек старше 60 лет и около половины всех людей старше 75 страдают той или иной формой потери слуха. И примерно четыре из каждых 100000 детей, рожденных в Соединенных Штатах, имеют синдром Ашера, главную причину слепоглухоты.
Слух – классический пример явления, называемого механотрансдукцией, процесса, который важен не только для слуха, но и для ряда других функций организма, таких как восприятие прикосновения. Это сложный процесс, при котором пространственные и физические сигналы преобразуются в электрические сигналы, которые проходят по нервным волокнам в области мозга, где они интерпретируются.
«Слух – наименее понятное из чувств», – отмечает Мюллер.
Мы знаем, что звук начинается с волн механических колебаний, которые проходят по воздуху от источника к уху человека за счет сжатия молекул воздуха. Когда эти вибрационные волны попадают во внешнее ухо человека, они спускаются по ушному каналу в среднее ухо и ударяют по барабанной перепонке. Вибрирующая барабанная перепонка перемещает набор тонких костей, которые передают вибрации заполненной жидкостью спиральной структуре во внутреннем ухе, известной как улитка. Когда звук заставляет эти кости двигаться, они сжимают мембрану на одном входе в улитку, и это заставляет жидкость внутри двигаться соответствующим образом.
Внутри улитки находятся специализированные «волосковые» клетки, которые имеют симметричный массив стереоцилий, выходящих за пределы их поверхности. Движение жидкости внутри улитки заставляет стереоцилии двигаться. Это физическое изменение вызывает электрическое изменение и вызывает открытие ионных каналов. Открытие этих каналов контролируется сенсорными нейронами, окружающими волосковые клетки, и эти нейроны затем передают электрические сигналы нейронам в слуховой ассоциации коры головного мозга.
При синдроме Ашера и некоторых других заболеваниях «сенсорных нейронов», вызывающих глухоту, волосковые клетки в улитке не могут поддерживать симметричный массив стереоцилий.
Несколько десятилетий назад в стереоцилиях был обнаружен молекулярный комплекс, названный концевым звеном. Эти концевые звенья соединяют концы стереоцилий и также считаются важными для передачи физической силы к механически управляемым ионным каналам. В течение многих лет, отчасти из-за того, что стереоцилии чрезвычайно малы, редки и их трудно обрабатывать, молекулы, составляющие концевое звено, оставались неуловимыми.
Но несколько лет назад Мюллер и его коллеги идентифицировали один из ключевых белков, образующих концевое звено, – белок кадгерин 23. В своей статье в Nature от 26 марта 2004 г. Мюллер и его коллеги показали, что белок кадгерин 23 экспрессируется в нужном месте волосковой клетки, чтобы быть частью концевого звена, что он имеет правильную биохимию и, по-видимому, отвечает за открытие ионных каналов. Они также показали, что белок кадгерин 23 образует комплекс с другим белком, называемым миозином 1c, который помогает закрыть канал после открытия.
«Текущее исследование обеспечивает более высокую степень разрешения, чем исследование 2004 года, благодаря сотрудничеству с исследователем NIH Бехарой Качар и профессором Скриппса Роном Миллиганом и его передовыми средствами визуализации», – говорит Мюллер. «Теперь мы развеиваем любые сомнения в деталях наших выводов.”
Три линии доказательств
В текущем исследовании использовались три линии доказательств, чтобы продемонстрировать, что кадгерин 23 и протокадгерин 15 объединяются и сцепляются друг с другом, образуя концевую связь.
Исследователи впервые создали антитела, которые будут связываться и метить короткие сегменты белков кадгерина 23 и протокадгерина 15 во внутреннем ухе крыс и морских свинок. Используя иммунофлуоресцентные исследования и исследования электронной микроскопии, они показали, что кадгерин 23 был расположен на стороне более высокой стереоцилии, а протокадгерин 15 присутствовал на кончике более короткой стереоцилии, а их свободные концы перекрывались между ними. Исследователи смогли идентифицировать оба белка, устранив препятствие для процесса связывания антител: кальций. В нормальных условиях кадгерин 23 и протокадгерин 15 содержат ионы кальция, которые предотвращают связывание антител с целевыми сайтами. Когда кальций был удален путем добавления химического вещества, известного как БАПТА, обе метки стали видны.
Затем исследователи построили структуру, напоминающую концевое звено, экспрессируя белки кадгерина 23 и протокадгерина 15 в лаборатории и наблюдая, как они взаимодействуют. Когда условия были подходящими, два белка плотно наматывались друг на друга от одного конца до другого в конфигурации, которая отражала естественное концевое звено. Как и в случае с обычными наконечниками, структура процветала при концентрациях кальция, которые были сопоставимы с концентрациями, обнаруженными в жидкости внутреннего уха, в то время как резкое снижение содержания кальция разрушало структуру.
Наконец, ученые обнаружили, что одна мутация протокадгерина 15, которая вызывает одну форму глухоты, ингибирует взаимодействие двух белков, что привело их к выводу, что мутация снижает адгезионные свойства двух белков и предотвращает образование концевого звена. Во второй мутации протокадгерина 15 концевое звено не было разрушено; ученые предположили, что глухота, скорее всего, вызвана не поломкой концевого звена, а нарушением его механических свойств.
Точно зная состав и конфигурацию концевого звена, ученые теперь могут исследовать, как эти белки взаимодействуют с другими компонентами, чтобы сформировать остальную часть механизма трансдукции. Кроме того, ученые могут изучить, как можно разработать новые методы лечения, позволяющие устранить разрыв связи между наконечниками из-за факторов окружающей среды, таких как громкий шум.
Источник: Исследовательский институт Скриппса