Шахматный узор клеток внутреннего уха позволяет нам слышать

Японская исследовательская группа впервые показала, что шахматное расположение клеток в кортиевом органе внутреннего уха жизненно важно для слуха. Это открытие даёт новое представление о работе слуха с точки зрения самоорганизации клеток и позволит лучше понять различные нарушения слуха.

В группу вошли доцент Хидеру Тогаши из Высшей школы медицины Университета Кобе и доктор Саяка Кацунума из Детской больницы префектуры Хёго Кобе.

Результаты были опубликованы онлайн в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology 8 декабря 2022 года.

Улитка внутреннего уха необходима для восприятия звука, а внутри неё расположен кортиев орган. При взгляде сверху под микроскопом видны два типа клеток, расположенных в строгом порядке, напоминающем шахматную доску. Волосковые клетки, передающие звуковые волны в мозг, разделены поддерживающими клетками, которые не дают волосковым клеткам соприкасаться. Хотя считалось, что это шахматное расположение необходимо для правильной работы кортиева органа, связь между этим паттерном и слуховой функцией долгое время оставалась неясной.

Ранее эта же группа показала, что шахматная доска внутреннего уха формируется механизмом клеточной сегрегации, который позволяет волосковым и поддерживающим клеткам правильно выстраиваться в линию. Каждый тип клеток экспрессирует разные молекулы клеточной адгезии нектина. В результате волосковая и поддерживающая клетка прилипают друг к другу сильнее, чем две волосковые или две поддерживающие клетки.

Это свойство и заставляет клетки располагаться в шахматном порядке. У мышиной модели, у которой одна из молекул нектина нефункциональна, свойства меняются, и шахматный узор не может правильно сформироваться. В этом исследовании учёные использовали таких мышей, чтобы изучить связь между шахматным расположением клеток и функцией слуха.

Группа сравнила обычных (контрольных) мышей с мышами, у которых один тип нектина работал неправильно (нокаутные мыши по нектину-3, далее — мыши KO). Сразу после рождения не наблюдалось разницы в количестве волосковых и поддерживающих клеток в кортиевом органе. Однако была разница в том, насколько легко два типа клеток прилипают друг к другу: у мышей KO волосковые клетки слипаются между собой (чего в норме не происходит), что приводит к аномалиям в шахматном узоре.

Исследователи предположили, что проверка слуха у этих мышей может выявить связь между слухом и шахматным узором. Они измерили слух у мышей KO старше одного месяца с помощью метода слуховых вызванных потенциалов ствола мозга (ABR). Тест показал, что мыши KO были умеренно глухими, что демонстрировало причину потери слуха во внутреннем ухе.

При исследовании кортиевых органов этих мышей обнаружилось, что количество волосковых клеток уменьшилось примерно вдвое. Затем учёные выяснили, почему исчезли именно волосковые клетки (а не поддерживающие). Они обнаружили, что после двухнедельного возраста происходил апоптоз волосковых клеток. Изучение следов апоптоза показало, что гибель клеток происходила во многих слипшихся друг с другом клетках. Это позволило предположить, что именно ненормальное слипание волосковых клеток вызывало апоптоз.

В эпителиальной ткани, к которой относится и кортиев орган, между клетками существуют плотные контакты. Они не только соединяют клетки, но и предотвращают прохождение различных молекул (включая ионы) между ними. Если в кортиевом органе нет этих контактов, волосковые клетки не могут нормально функционировать, гибнут, и возникает потеря слуха. У мышей KO плотные контакты не формировались должным образом в местах, где волосковые клетки были слипшимися.

Однако между волосковыми и поддерживающими клетками плотные контакты формировались правильно. Пока две волосковые клетки не слипались, нормальная функция клеток сохранялась. То есть апоптоз волосковых клеток индуцировался только в местах их аномального слипания, где плотные контакты не формировались. Эти результаты впервые показали, что шахматный узор клеток в кортиевом органе функционирует как фундаментальная структура, защищающая волосковые клетки и их функцию, предотвращая их слипание.

Нектин является причинным геном эктодермальной дисплазии острова Маргарита. Помимо расщелины губы/нёба и умственной отсталости, в некоторых случаях этого генетического нарушения также сообщалось о глухоте. Следовательно, результаты данного исследования могут дать новое объяснение для некоторых случаев глухоты неясной этиологии.

Это исследование, сосредоточенное на слухе, продемонстрировало физиологическое значение шахматного мозаичного паттерна клеток в кортиевом органе. Однако другие сенсорные клетки, реагирующие на внешние стимулы, и их поддерживающие клетки также расположены в аналогичном чередующемся мозаичном паттерне. Такие паттерны обнаружены в обонятельном эпителии (ответственен за обоняние) и сетчатке (зрение).

Тот факт, что эти мозаичные паттерны встречаются не только у млекопитающих, но и у многих других организмов, говорит об их функциональной важности. Мозаичные паттерны в сенсорных тканях создаются самоорганизацией из-за различий в адгезивности между клетками. Поэтому сосредоточение исследований на клеточной самоорганизации в сенсорных органах увеличит наши знания об их функциях и углубит понимание различных связанных заболеваний.