Генетические основы эволюции внутреннего уха млекопитающих
Млекопитающие адаптировались к жизни в самых тёмных пещерах и глубоких океанах, от высоких гор до равнин. В процессе они также развили замечательные способности слуха — от высокочастотных эхолокационных сигналов летучих мышей до низкочастотных песен китов. Даже слух собак охватывает диапазон вдвое шире, чем у человека.
Предполагая, что у этих адаптаций есть генетическая основа, команда учёных под руководством Люсии Франкини из Национального совета по научным и технологическим исследованиям (CONICET) в Буэнос-Айресе (Аргентина) поставила цель выявить генетические основы эволюции внутреннего уха млекопитающих. Их последнее исследование, опубликованное в онлайн-версии Molecular Biology and Evolution, подтвердило перспективность подхода, обнаружив два новых гена, вовлечённых в слух.
«Эта работа исходит из предпосылки, что эволюция новшеств, связанных со слухом во внутреннем ухе млекопитающих, должна оставить обнаруживаемый след адаптивной молекулярной сигнатуры», — сказала Франкини.
Группа Франкини сосредоточилась на внутреннем ухе, которое преобразует изменения интенсивности звука в электрические сигналы для мозга. Внутри него находится улитка, преобразующая звуковые волны в нервные импульсы, включая кортиев орган с двумя типами специализированных сенсорных волосковых клеток (ВК): внутренними (IHCs) и наружными (OHCs).
«Во внутреннем ухе млекопитающих IHCs и OHCs имеют чёткое разделение труда, — объясняет Франкини. — IHCs получают и передают звуковую информацию, выступая истинными сенсорными клетками, а OHCs усиливают звуковую информацию».
В исследовании использовали двусторонний подход, сочетая компьютерные (in silico) сравнения генов с последующими экспериментальными исследованиями.
Сначала с помощью баз данных экспрессии генов провели in silico сравнительный анализ 1300 генов, чтобы выявить гены, которые могли быть позитивно отобраны для адаптации млекопитающих в ходе эволюции. Всего нашли 13% (165 генов внутреннего уха), которые могли быть отобраны для адаптации.
«Этот анализ показал, что и IHCs, и OHCs прошли через сходные уровни адаптивной эволюции генов, вероятно, лежащие в основе морфологической и функциональной перестройки обоих типов клеток в линии млекопитающих», — сказала Франкини.
Затем экспериментально проверили функции генов слуха в серии исследований на мышах. Сосредоточились на двух ранее неизвестных генах внутреннего уха: STRIP2 (Striatin Interacting Protein 2) и ABLIM2 (Actin Binding LIM domain 2). Их функционально охарактеризовали, создав новые линии мутантных мышей с помощью технологии CRISPR/Cas9, чтобы «выключить» часть нормальной функции гена.
«Мы провели аудиологические функциональные исследования вновь созданных мутантных мышей Strip2 и Ablim2 с помощью двух дополняющих методов, позволяющих дифференциальную диагностику дисфункции OHCs против IHCs/нейронов по всей улитке», — сказала Франкини.
Обнаружили, что STRIP2, вероятно, играет функциональную роль в первом синапсе между IHCs и нервными волокнами. В сенсорном эпителии улитки нашли значительное сокращение синапсов слухового нерва. В отличие от этого, исследования мутантов Ablim2 показали, что отсутствие ABLIM2 не влияет ни на усиление в улитке, ни на функцию слухового нерва.
«Таким образом, с помощью этого эволюционного подхода мы обнаружили, что STRIP2 подвергся сильному позитивному отбору в линии млекопитающих и играет важную роль в физиологии внутреннего уха», — заключила Франкини.