Анатомическое строение органа слуха млекопитающих изучено очень хорошо, однако генетический и молекулярный механизм, отвечающий за его функционирование, то есть за преобразование энергии звуковых колебаний в нервные импульсы, затем поступающие в головной мозг, до сих пор оставался непонятным. Между тем, без расшифровки молекулярной «машинерии» слуха нельзя понять не только принцип работы одной из главных нейросенсорных систем животных и человека, но и природу врожденной глухоты, а также других заболеваний, связанных с потерей слуха.
Похоже, что разгадать тайну слуха удалось генетикам и нейрофизиологам из Исследовательского института Скриппса (США), которые идентифицировали ключевое звено в процессе преобразования звуковых колебаний в нервные импульсы — белок THMS. Этот протеин, как показали эксперименты, является критически важным компонентом так называемых механопередаточных каналов уха, расположенных в кортиевом органе (рецепторной части перепончатого лабиринта ушной улитки), в котором, собственно, и происходит трансформация механических звуковых колебаний в электрические.
Статья возглавляемой профессором Ульрихом Мюллером исследовательской группы с описанием ключевой «молекулы слуха», поиск которой идет уже несколько десятилетий, опубликована в пятницу в журнале Cell.
В чем именно заключается ключевая роль THMS?
Звуковые колебания, пройдя через ушной канал, воспринимаются барабанной перепонкой и далее, через систему косточек среднего уха, передаются жидкости внутреннего уха, заполняющей перепончатый лабиринт ушной улитки. Внутри перепончатого лабиринта расположен кортиев орган, состоящий из так называемых волосковых клеток — рецепторных клеток, снабженных волосками, или стереоцилиями.
Движения жидкости внутри ушной улитки, комплиментарные колебаниям барабанной перепонки, заставляет стереоцилии отклоняться.
При каждом отклонении в мембранах волосковых клеток открываются механочувствительные ионные каналы, и из жидкости внутреннего уха в клетку начинают поступать ионы калия и кальция. В результате клетка деполяризуется, высвобождая нейромедиатор (вещество, регулирующее работу нервных клеток), который, в свою очередь, связывается с рецепторами расположенных поблизости нейронов. Когда концентрация нейромедиатора достигает порогового уровня, нейрон продуцирует электрический сигнал, который через мозговой ствол поступает в слуховую кору больших полушарий мозга.
За большим числом взаимосвязанных компонентов, обеспечивающих трансформацию энергии механических колебаний в понятные мозгу нервные импульсы, лежат сотни и сотни функциональных генов, регулирующих работу механопередаточного механизма. Выпадение хотя бы одного его звена может грозить полной или частичной потерей слуха. Так, волосковые клетки формируются в канале внутреннего уха еще на внутриутробной стадии развития организма, их число ограничено, они не восстанавливаются, и многие, если не большая часть форм наследственной глухоты связана именно с их дефектами. Прежде всего — с невозможностью трансформировать механические колебания в электрохимические сигналы.
Сейчас открыты, в том числе и группой Мюллера, десятки генов, изменения которых вызывают потерю слуха, но какие из этих генов за какие именно дефекты отвечают, оставалось непонятным.
С открытием TMHS — белка, играющего ключевую роль в клеточном преобразовании сигналов — картина стала намного более понятной.
Как было установлено несколько лет назад, кончики стереоцилий — волосков рецепторных клеток — покрыты белковыми навершиями, которые скрепляет концы соседних стереоцилий, образующих, таким образом, связанные группы отклоняющихся синхронно волосков. Помимо скрепляющей функции, синхронизирующей движение механических «антенн», белки, покрывающие кончики стереоцилий, играют важную роль в преобразовании физических сигналов, управляя поведением ионных каналов клеточной мембраны.
Ранее группа Мюллера расшифровала белковую структуру наконечников, но белок, непосредственно связывающий наконечник волоска с ионным каналом клетки, который открывается с каждым отклонением «антенны», идентифицировать никак не удавалось.
Открытие TMHS — компонента, связывающего ионный канал с навершием волоска, поставило наконец-то точку в расшифровке базового клеточного механизма по конвертации энергии звуковых волн в нервные импульсы.
Было установлено, что в отсутствии TMHS нормальные во всех других отношениях волосковые клетки полностью теряют способность продуцировать нервные импульсы, точнее — выделять нейромедиатор, управляющий поведением нейронов.
Помимо чисто фундументального, открытие группы Мюллера имеет и потенциальное прикладное значение, открывая новые возможности в лечении глухоты.
Внедрив белок THMS внутрь сенсорных клеток уха новорожденной мыши, страдающей наследственной глухотой, авторам статьи удалось восстановить слух у животного. В свою очередь, генетически измененные мыши, у которых этот белок не вырабатывался, оставались глухими. Строение органов слуха примерно схоже у всех млекопитающих, и специфические изменения белковой структуры THMS, также обнаруженные у людей, страдающих наследственной глухотой, могут объяснить наконец, какие именно генетические вариации вызывают эту патологию. Соответственно, эти вариации можно предсказывать и корректировать, возвращая людям слух.