Японская исследовательская группа стала первой, кто обнаружил, что шахматное расположение клеток в кортиевом органе внутреннего уха жизненно важно для слуха. Открытие дает новое представление о том, как работает слух с точки зрения самоорганизации клеток, а также позволит лучше понять различные нарушения слуха.
В исследовательскую группу входили доцент Тогаси Хидеру из Высшей школы медицины Университета Кобэ и доктор Кацунума Саяка из детской больницы Кобэ префектуры Хёго.
Эти результаты исследования были опубликованы в Интернете в Frontiers in Cell and Developmental Biology 8 декабря 2022 года.
Улитка внутреннего уха необходима для того, чтобы слышать звук, и внутри нее находится кортиев орган. Когда кортиев орган рассматривается сверху под микроскопом, можно увидеть два типа клеток, расположенных в строго упорядоченном порядке, напоминающем шахматную или шахматную доску. Волосковые клетки, которые передают звуковые волны в мозг, разделены поддерживающими клетками, которые не позволяют волосковым клеткам соприкасаться друг с другом. Хотя считалось, что это расположение в шахматном порядке необходимо для правильного функционирования кортиева органа, связь между этим паттерном и функцией слуха долгое время оставалась неясной.
Эта исследовательская группа ранее обнаружила, что эта шахматная доска внутреннего уха сформирована механизмом клеточной сегрегации, который позволяет волосковым клеткам и поддерживающим клеткам правильно двигаться в линию. Волосковые клетки и опорные клетки экспрессируют разные типы молекул нектина клеточной адгезии. Это приводит к тому, что волосковая клетка и опорная клетка прикрепляются друг к другу сильнее, чем две волосковые клетки или две опорные клетки.
Именно это свойство заставляет волосковые клетки и опорные клетки располагаться в шахматном порядке. В мышиной модели, где одна из этих молекул нектина нефункциональна, свойства меняются, и рисунок шахматной доски не может сформироваться правильно. В этом исследовании исследователи использовали этих мышей для изучения связи между шахматным расположением клеток и функциональностью слуха.
Исследовательская группа сравнила обычных (контрольных) мышей с мышами с одним типом нектина, функционирующим неправильно (мышь с нокаутом по нектину-3, далее именуемая мышью с нокаутом по нектину). Различий между мышами не наблюдалось в количестве волосковых клеток и опорных клеток в кортиевом органе сразу после рождения. Однако была разница в том, насколько легко два типа клеток сцеплялись друг с другом; у мышей с нокаутом нектина-3 волосковые клетки слипаются (чего обычно не происходит), что приводит к аномалиям шахматной доски.
В этот момент исследователи предположили, что тестирование слуха этих мышей может выявить связь между слухом и шахматным рисунком. Они измерили слух мышей старше одного месяца с нокаутом нектина, используя метод слуховой реакции ствола мозга (ABR). Этот тест показал, что мыши с нектиновым нокаутом были умеренно глухими, демонстрируя, что эта потеря слуха была вызвана аномалиями во внутреннем ухе.
Затем исследователи изучили органы Corti мышей с нокаутом нектина, которые прошли тест ABR, и обнаружили, что количество волосковых клеток уменьшилось примерно вдвое. Затем они решили выяснить, почему исчезли только волосковые клетки (а не опорные клетки). Они обнаружили, что после двухнедельного возраста происходит апоптоз волосковых клеток. Кроме того, исследование следов апоптоза показало, что гибель клеток происходила во многих клетках, слипшихся друг с другом. Это привело исследователей к предположению, что волосковые клетки, прилипшие друг к другу (чего обычно не происходит), вызвали апоптоз.
В эпителиальной ткани, к которой относится и кортиев орган, между каждой клеткой имеются плотные контакты. Эти плотные контакты не только соединяют клетки, но и препятствуют прохождению различных молекул (в том числе ионов) между клетками. Если в кортиевом органе нет этих плотных соединений, волосковые клетки не могут функционировать должным образом, клетки умирают и происходит потеря слуха. У нектиновых нокаутированных мышей плотные соединения не образовывались должным образом в местах слипания волосковых клеток.
Однако между волосковыми клетками и поддерживающими клетками правильно сформировались плотные контакты. Пока две волосковые клетки не были склеены вместе, сохранялась нормальная функция клеток. Другими словами, апоптоз волосковых клеток индуцировался только в тех местах, где волосковые клетки были аномально сцеплены друг с другом и плотные контакты не сформировались должным образом. Эти результаты впервые показали, что шахматная структура волосковых клеток и опорных клеток, обнаруженная в органе Корти, функционирует как фундаментальная структура, которая защищает волосковые клетки и их функциональность, предотвращая прикрепление волосковых клеток друг к другу.
Нектин является причинным геном эктодермальной дисплазии острова Маргарита. Помимо расщелины губы или неба и умственной отсталости, в некоторых случаях этого генетического заболевания также сообщалось о глухоте. Таким образом, результаты текущего исследования могут дать новое объяснение некоторым случаям глухоты, причина которых неясна.
Это исследование было сосредоточено на слухе и продемонстрировало физиологическое значение шахматной мозаики клеток в кортиевом органе. Однако другие сенсорные клетки , которые реагируют на внешние раздражители, и соответствующие им опорные клетки также расположены в таком же чередующемся мозаичном паттерне. Эти мозаичные узоры обнаруживаются в органах чувств, таких как обонятельный эпителий , отвечающий за обоняние, и сетчатка, отвечающая за зрение.
Тот факт, что эти мозаичные паттерны обнаруживаются не только у млекопитающих, но и у множества других организмов, предполагает, что они функционально важны. Мозаичные узоры в сенсорных тканях создаются путем самоорганизации из-за различий в адгезивности между клетками. Следовательно, сосредоточение внимания на исследованиях клеточной самоорганизации в органах чувств расширит наши знания о функциях органов чувств и улучшит наше понимание различных связанных с ними заболеваний.
