Loode-uurijad kloonivad sisekõrva mootori eest vastutava geeni

Loode-uurijad kloonivad sisekõrva mootori eest vastutava geeni
Loode-uurijad kloonivad sisekõrva mootori eest vastutava geeni
Anonim

EVANSTON, Ill. – Ajakirja Nature 11. mai numbris avaldati uus Northwesterni ülikooli uuring, mis edendab kuulmishäirete geneetika mõistmist. Ebatavalises koostöös kuulmisteaduse ja molekulaarbioloogia ekspertide vahel on teadlased klooninud geeni, mis sai nime presto noodikirja järgi ja mis on ülioluline välimise karvaraku, imetajate sisekõrva ainulaadse sensoorse retseptori raku, toimimise jaoks.

Uurimisrühmad Peter Dallose, John Evansi neuroteaduste professori ja Laird D. juhtimisel.Madison, M.D., ülikooli meditsiinikooli endokrinoloogia, ainevahetuse ja meditsiini keskuse dotsent, on eduk alt klooninud geeni Prestin, mis kodeerib valku (prestiini), mis on oluline molekulaarne mootor välimises juukserakus. Prestin on imetajate uus bioloogiline mootor, mis ühendab klassikalisi molekulaarmootoreid kinesiini, düneiini ja müosiini, millest viimane on valk, mis põhjustab lihaste kokkutõmbumist.

Umbes 25 miljonit inimest Ameerika Ühendriikides on tõsiselt vaegkuuljaga ja paljud neist puudujääkidest on seotud välimiste karvarakkude funktsiooni kadumisega. Lisaks prestini avastuse tervisemõjudele võivad need pisikesed bioühilduvad mootorid olla õnnistuseks arenevale nanotehnoloogiavaldkonnale.

"See on oluline uuring," ütles Mario Ruggero, Hugh Knowlesi kuulmisteaduste professor ning Northwesterni kommunikatsiooniteaduste ja -häirete osakonna audioloogia ja kuulmisteaduste programmi juht."See tuvastab liikuva protsessi molekulaarse aluse, mis muudab imetajate sisekõrva välimised karvarakud ainulaadseks ja mis võib olla vastutav helitaju suurepärase tundlikkuse eest inimestel."

On levinud arvamus, et välimised karvarakud toimivad sissetulevate helivibratsioonide lokaalsete mehaaniliste võimenditena, andes imetajate kõrvale selle erakordse tundlikkuse ja sageduslahutusvõime. Võimendamise ajal silindrikujulised välimised karvarakud pikenevad ja tõmbuvad kokku sama suure kiirusega kui sissetuleva heli sagedus. Need võimendavad sisemiste karvarakkude, kesknärvisüsteemiga suhtlemise eest vastutavate sensoorsete rakkude poolt vastuvõetud signaale. Sisemised karvarakud saadavad kuulmisinformatsiooni ajju, mis tõlgendab seda teekanna vilena või Puccini aariana.

"Uskusime kindl alt, et raku pikkuse muutuste eest vastutab molekulaarne mootor, mistõttu asusime otsima motoorset molekuli, mis on imetajate kuulmise jaoks nii oluline," ütles Dallos, samuti Hugh Knowlesi professor. Audioloogia ja kuulmisteadused."Selle mootori juures on kõige hämmastavam selle kiirus. See liigub kiiremini kui miski muu, mida me inimkehas teame."

Inimesed kuulevad helisid, mille sagedused ulatuvad mürinast piiksuni, umbes 20–20 000 hertsi (tsüklit sekundis). Väikesed imetajad, näiteks hiired, kuulevad kuni 60 000 Hz. See tähendab, et tugev krigistamine võib põhjustada välimiste karvarakkude pikkust muutma kuni 60 000 korda sekundis. Näiteks valjust muusikast või lähedalasuvast plahvatusest tingitud müratrauma võib kahjustada või hävitada välimisi karvarakke, mida imetajatel sünnihetkel on fikseeritud arv. Ilma väliste karvarakkudeta ei saa toimuda võimendust ja imetaja kuulmisvõime on oluliselt vähenenud, jättes talle primitiivse kuulmisvormi.

Lisaks kiirusele on prestiinmootori teine ​​ainulaadne omadus see, et see ei vaja toimimiseks täiendavat bioloogilist energiat, näiteks adenosiintrifosfaati (ATP). Selle asemel tekitab sissetulev helistiimul elektrilise pinge muutusi välistes karvarakkudes, mis juhivad prestini mootorit.Erinev alt prestiinist on teiste bioloogiliste mootorite, kinesiini, düneiini ja müosiini toimimiseks vaja ATP-d, peamist rakkudes leiduvat energiamolekuli.

Välise karvaraku motoorvalgu eest vastutava geeni otsimisel analüüsisid Dallos-Madisoni meeskonnad liivahiirte välimiste ja sisemiste karvarakkude geneetilist koostist. Need kaks tüüpi rakud on üksteisega väga sarnased, välja arvatud teatud väliste karvarakkude jaoks ainulaadsed valgud. Sisemised karvarakud ei ole liikuvad.

"Selle protsessi tegelik raskus seisnes selles, et meil oli piiratud kogus materjali, millega töötada, " ütles Madison. "Meil oli vaja isoleerida umbes tuhat sisemist ja välimist karvarakku – see on keeruline ülesanne, kui tegemist on vaid mõne millimeetri suuruse ja luuga ümbritsetud sisekõrvaga."

Kasutades meetodit, mida nimetatakse subtraktiivseks PCR-hübridisatsiooniks, võimendasid teadlased esm alt rakkude erinevusi ja lahutasid nende ühisosa.See jättis käputäie geene, mida leiti ainult välimistest juukserakkudest. Seejärel tegid teadlased teadliku valiku, millist geeni kõigepe alt testida, ja õnneks osutus esimene geen õigeks.

Järgmisena transfekteerisid teadlased valitud geeni inimese neerurakkudesse, rakkudesse, mis tavaliselt ei liigu mikroskoopiliselt. Geeni prestiini valk ekspresseeriti rakkudes ja kui teadlased rakendasid pinget, tuvastasid nad pingega reguleeritud liikumise neerurakkudes. See andis funktsionaalse tõendi, et nad olid tuvastanud motoorse geeni ja valgu. Mootori kiiruse tunnustamiseks andis meeskond geenile Prestin nimeks presto, mis tähendab väga kiiret tempot.

Mootori kiirus, ütles teadlaste sõnul, ja asjaolu, et see ei vaja funktsioneerimiseks täiendavat bioloogilist energiat, vaid ainult pinget, näiteks akust saadavat pinget, on nanotehnoloogia rakenduste jaoks paljutõotav.

"Siin on meil molekul, mis muudab elektri otse mehaaniliseks jõuks," ütles Dallos."Seda uudset mootorit saaks potentsiaalselt kasutada molekulaarsel skaalal masinate ehitamiseks." Teised bioloogilised mootorid on kehvad kandidaadid, kuna need on aeglased ja nõuavad töötamiseks lisaenergiat.

"See on nanotehnoloogia põnev areng," ütles Northwesterni materjaliteaduse ja inseneriteaduse professor ning nanotehnoloogia, elektronmikroskoopia ja aatomistruktuuride ekspert Laurence Marks. "Võib ette kujutada hübriidstruktuuride loomist, kasutades seda valku tehismembraanides, mis on osa nanoelektromehaanilistest süsteemidest (NEMS), näiteks bioloogilistes pumpades, mida võidakse kasutada ravimite kohaletoimetamiseks."

Dallos ja Madison jätavad nanotehnoloogia rakendused aga tõenäoliselt teistele teadlastele. Prestini geeni käes on teadlased kavandanud oma järgmised sammud prestini ja kuulmise kohta lisateabe saamiseks. Nende peamine eesmärk on luua loomi, kellel puudub prestiini valk, ja seejärel uurida, kuidas need loomad kuulevad.Näiteks kuidas mootori puudumine kuulmist mõjutab? Samuti soovivad nad paremini iseloomustada valgu struktuuri ja mõista, kuidas molekul tekitab nihkeid sellistel fenomenaalsetel kiirustel. Motoorse valgu paremaks mõistmisel loodavad teadlased lõplikult näidata, kuidas välimiste karvarakkude võimendusprotsess toimib.

"Peter Dallos on rohkem kui 30 aastat olnud perifeerse kuulmissüsteemi uurimisel maailmas esirinnas," ütles David Hanson, meditsiinikooli otolarüngoloogia õppetooli juhataja ja sensoorse keskuse direktor. ja suhtlemishäired Northwesternis. "Prestini tuvastamine on väga oluline panus kuulmishäirete geneetika mõistmisse, valdkonda, kus me teeme suuri edusamme."

Lisaks Dallosele ja Madisonile on paberil teisteks autoriteks esimene autor Jing Zheng, David Z.Z. Tema ja Weixing Shen Northwesterni ülikooli kuulmisfüsioloogia laborist ja Kevin B. Long ülikooli meditsiinikoolist.

Uurimist toetas Peter Dallose vanemstipendium McKnighti närviteaduse sihtfondist ja riiklikust kurtuse ja muude suhtlushäirete instituudist.

Populaarne teema