Открытие связывает кислый вкус со способностью внутреннего уха сохранять равновесие

Ученые из USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences обнаружили совершенно новый класс ионных каналов. Эти каналы пропускают протоны (ионы H⁺) в клетки, важны для работы внутреннего уха и чувства равновесия, а также присутствуют во вкусовых клетках, отвечающих на кислый вкус.

Результаты были опубликованы 25 января в журнале Science.

Протоны определяют, является ли раствор кислотным или основным, и задают уровень pH. Естественно, протоны не проходят через клеточные мембраны сами по себе; для их транспорта нужны специальные белки, такие как ионные каналы.

Хотя ген, кодирующий ионный канал для выхода протонов из клеток, был известен, оставалось неясным, какой ген или гены отвечают за канал для входа протонов. Теперь исследования кислого вкуса идентифицировали семейство генов отопетринов (otopetrin) как кодирующее протон-проводящие ионные каналы.

Это семейство генов изначально было связано с чувством равновесия: мыши с мутациями в гене отопетрина 1 (Otop1) называются «наклоненными» (tlt), потому что не могут выпрямиться. Функция кодируемого белка и причина дефекта вестибулярной системы были неизвестны. Однако группа под руководством профессора биологических наук Эмили Лиман, изучая вкусовое восприятие, обнаружила, что Otop1 кодирует протонный канал, что дает подсказки о роли отопетрина 1 в работе внутреннего уха.

Поскольку кислый вкус — это восприятие кислотных веществ с высокой концентрацией протонов, Лиман предположила, что во вкусовых клетках должен быть ионный канал, реагирующий на протоны. Восемь лет назад ее лаборатория биофизическими методами показала, что протоны попадают во вкусовые клетки через специализированный протонный канал в мембране. Однако ген, кодирующий этот канал, и его структурные свойства оставались неизвестными.

Лаборатория Лиман использовала метод молекулярной генетики RNAseq, чтобы определить, какие гены экспрессируются именно в клетках кислого вкуса. Затем аспирант Ю-Сян Ту тестировал гены-кандидаты один за другим, пока не нашел тот, который заставлял клетки, лишенные протонных каналов, производить протон-проводящий белок.

После проверки более трех десятков кандидатов Лиман почти потеряла надежду. «Когда Ю-Сян позвал меня в лабораторию и показал данные по отопетрину, я не могла поверить, что мы наконец нашли его. Мы искали так много лет», — сказала Лиман.

Помимо Otop1, у позвоночных есть два родственных гена (Otop2 и Otop3), а это семейство представлено и у плодовой мушки Drosophila melanogaster. Отопетрины структурно отличаются от всех других ионных каналов, и все они формируют протонные каналы, что говорит об их эволюционной сохранности. Каждый из отопетринов имеет уникальное распределение в различных тканях, включая язык, ухо, глаз, нервы, репродуктивные органы и пищеварительный тракт.

В вестибулярной системе Otop1 необходим для формирования и работы структур под названием отоконии — кристаллов карбоната кальция, которые чувствуют гравитацию и ускорение. Исследователи полагают, что отопетрины поддерживают pH, подходящий для формирования отоконий, а дефект у мышей tlt вызван нарушением регуляции pH.

Во вкусовой системе отопетрины могут быть задействованы в восприятии кислот как часть ощущения кислого вкуса. Функция этих протонных каналов в других тканях пока неизвестна.

«Мы никогда и за миллион лет не ожидали, что молекула, которую мы искали во вкусовых клетках, окажется также и в вестибулярной системе. Это подчеркивает силу фундаментальных исследований», — отметила Лиман.