Ген «глухоты» вовлечен в восприятие течений рыбами

Согласно новому исследованию школы медицины Университета Кейс Вестерн Резерв (Case Western Reserve University), механизмы восприятия звука человеческим ухом и движения воды боковой линией рыб аналогичны. Исследователи обнаружили ген, который экспрессируется в клетках боковой линии данио и участвует в преобразовании движений воды в электрические импульсы. Эти импульсы затем отправляются в мозг для обработки. Он позволяет данио воспринимать направление движения воды, а также помогает клеткам внутри человеческого уха воспринимать целый ряд звуков.

Ось наилучшей чувствительности для передних и задних нейромастов боковой линии.
Ось наилучшей чувствительности для передних и задних нейромастов боковой линии. a. Схематическая латеральная линия данио личинки 6 дней после оплодотворения икры. Вид сбоку. Нейромасты отмечены синим и кремовым цветом, им соответствуют графики снизу. Нейромасты ганглией передней латеральной линии (ALL, зеленая), задней латеральной линии (PLL, красная) и медиальной латеральной линии (синий). Дорсальный и вентральный вид на голову. Супраорбитальные нейромасты (SO) с 1 по 3 и инфраорбитальные (IO) нейромасты с 1 по 3 отмечены красным. Средний угол ориентации осей наилучшей чувствительности относительно A-P оси тела для каждого нейромаста обозначен отрезками с двумя противоположно направленными стрелками. b-e. Оценка осей наилучшей чувствительности нейромаста. b. Схема узла волосковой клетки. Серые и синие выросты являются киноцилием и стереоцилиями, соответственно. c. Экспериментальная конфигурация: вид сверху-вниз на нейромаст, пипетки током жидкости обеспечивают стимул (1) параллельно оси, вдоль которой располагаются стереоцилии волосковых клеток, либо ортогонально этой оси (2). Пипетки на диаграмме изображены не в оригинальном масштабе. d. Дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия (DIC) волосковой клетки заднего нейромаста, от которой регистрируются вызванные стимулом микрофонные потенциалы. Масштаб = 5 мкм. e. Записи от A-P ориентированного L3 нейромаста после стимуляции током жидкости от пипетки, сериями, из двух различных направлений обозначенных в c. f. Графики среднего угла ориентации осей наилучшей чувствительности относительно A-P оси тела для каждого переднего и заднего нейромаста + SEM (n = 4–7). Каждая ось в диапазоне 60 — 120 градусов от A-P оси тела определена перпендикулярной (кремовый). Каждая ось в диапазоне от 0 до 30 градусов или от 150 до 180 градусов относительно A-P оси тела определяется параллельной (синий). ALL номенклатура: оперкулярный (OP), мандибулярный (M), инфраорбитальный (IO), супраорбитальный (SO), средний (MI) и отический (O). PLL номенклатура: L нейромасты A–P ориентированы; LII нейромасты D–V ориентированы. Это различные типы нейромастов из различных мигрирующих зачаточных слоем в ходе развития (Shaoyuan Zhu et al., 2017)

——
Anterior–posterior (A–P) — Передне-заднее направление
Dorsal-ventral (D-V) — Дорсо-вентральное направление (сверху вниз).
——

Восприятие движения воды боковой линией происходит за счет механорецепторного комплекса на кончике стереоцилий. Эта сенсорная система состоит из нейромастов, участков волосковых клеток с пучками стереоцилий. Нейромасты выстроены как зеркальное морфологическое отражение, воспринимающее стимулы с противоположной стороны тела. В исследовательской работе обнаружена различная потребность механорецепторов боковой линии данио в белке Tmc2b (трансмембранный канального типа 2b). Несмотря на одинаковую морфологию волосковых клеток нейромастов, по экспрессии в них гена Tmc2b выделяют три класса клеток. Авторы использовали сканирование и электрофизилогические методы для определения зависимости расположения нейромастов и ориентации узлов волосковых клеток от экспрессии гена Tmc2b. На основе полученных данных они построили карту механорецепторов вдоль боковой линии данио. Таким образом, показано, что молекулярные механизмы в волосковых клетках отдельных нейромастов отличаются. Более того, волосковые клетки одного нейромаста могут нарушать морфологическую симметрию органа чувств на кончике стереоцилий.

Мутации гена Tmc2b становятся причиной глухоты у людей. Волосковые клетки данио находятся не только во внутреннем ухе, но и вдоль всего тела, что позволяет чувствовать движение воды. На поверхности туловища данио они ориентированы в разные стороны, поэтому воспринимают движение воды вокруг них. Однако, новое исследование показало, что эти клетки, смотрящие в разные стороны, не идентичны, как считалось ранее, в каждой экспрессия гена несколько отличается.

Молекулярные основания восприятия движения воды механорецепторами боковой линии данио
Карта механорецепторов в зависимости от экспрессии белка Tmc2b в передней и задний частях боковой линии. На графике личинки данио мутанта tmc2b −/−, дана характерстика красным нейромастам. Показаны модели захвата фиксируемого красителя FM1-43FX отдельными нейромастами. Красные волосковые клетки захватывают краситель; серые — не захватывают. Ниже каждого схематичного нейромаста указаны проценты волосковых клеток мутантов tmc2b −/−, которые захватывали 4-Di-2-ASP (красный текст) и процент интенсивности флуоресценции волосковых клеток мутантов относительно волосковых клеток особей дикого типа и гетерозигот (черный). Зелеными стрелками показано направление чувствительности мутантов, определенное с помощью красителя FM1-43FX. Непосредственно над каждым столбком показаны графики средних микрофонных потенциалов от нейромастов. Для IO4, tmc2b +/− = 9.2 ± 0.7 мкВ (n = 9), и tmc2b −/− = 8.9 ± 0.87 мкВ (n = 6). P value = 0.9546. Для A–P ориентированных задних нейромастов, tmc2b +/+, tmc2b +/− = 8.3 ± 0.37 мкВ (n = 20), и tmc2b −/− = 2.1 ± 0.8 мкВ (n = 15). ****P значение < 0.0001. Для D-V ориентированных задних нейромастов, tmc2b +/− = 6 ± 0.49 мкВ (n = 4) и tmc2b −/− = 0 ± 0 мкВ (n = 6). ****P значение = 0.0048. Значения P получены в тесте Mann–Whitney.
Качество механотрансдукции грубо оценивают по определению относительного количества красителя 4-Di-2-ASP, который проникает в волосковые клетки, и в процессе съемки прежизненных препаратов измеряют интенсивность флюоресценции наиболее ярких клеток нейромастов.
Для оценки того, влияет ли мутация гена tmc2b на снижение механотрансдукции в большей степени в волосковых клетках задних нейромастов с A-P ориентацией, использован краситель FM1-43FX. Эти флюоресцентные молекулы переносятся через механорецепторные каналы волосковых клеток, и после фиксации являются качественным индикатором функции каналов (Shaoyuan Zhu et al., 2017)

Доктор Brian McDermott, доцент кафедры отоларингологии школы медицины Университета Кейс Вестерн Резерв и университетского госпиталя кливлендского медицинского центра (University Hospitals Cleveland Medical Center) отмечает: «Мы обнаружили, что восприятие движения воды со стороны головы рыбы больше зависит от гена tmc2b, чем восприятие движения со стороны хвоста. Движение воды в направлении от головы рыбы всегда сопровождает плывующую рыбу, поэтому это обычное явление. Но движение со стороны хвоста может означать, что за ней гонится хищник. Поэтому для определения направления движения воды данио используют различные молекулярные механизмы.»

McDermott и доктор Ruben Stepanyan, доцент кафедры отоларингологии школы медицины Университета Кейс Вестерн Резерв, опубликовали результаты своего исследования в Nature Communications. Исследование полностью посвящено механотрансдукции, то есть тому, как волосоковые клетки воспринимают механические звуковые волны или, в данном случае, водяные волны и преобразуют их в сигналы мозга. Группа доктора McDermott обнаружила, что волосковые клетки на коже данио используют различные гены механотрансдукции, как, например, tmc2b, в зависимости от ориентации этих клеток. «Не все волосковые клетки одинаковы. Они отличаются в зависимости от того, в каком направлении смотрят, и это является ключевым фактором для определения направления движения воды», — сказал McDermott. Исследование выделяет ген tmc2b в качестве основного в механотрансдукции. Он необходим для передачи сигналов от волосковых клеток к мозгу, что в свою очередь объяснило бы его роль в генетической глухоте. «Результаты наших исследований напрямую связаны с человеческим слухом. Мы изучали ген данио, который аналогичен человеческому гену, вызывающему глухоту, и здесь показываем, что порок развития отмечается в процессе механотрансдукции», — сказал он.

Ученые использовали результаты своего исследования для создания «механосенсорной карты» волосковых клеток рыбок данио. На карте показано, как расположение и направление волосковой клетки связаны с ее способностью чувствовать движение воды. Она также показывает, насколько различным клеткам требуется ген глухоты tmc2b, или как они могут функционировать независимо от него. Карта дает информацию для будущих исследований, связанных с механотрансдукцией человеческих волосковых клеток и причинами генетической глухоты.

McDermott сказал: «Волосковые клетки данио особенно легко использовать для экспериментов, в отличие от волосковых клеток внутреннего уха млекопитающих, что является их преимуществом. Вы можете изучать развитие и функционирование неповрежденных волосковых клеток рыб на более высоком уровень, чем аналогичных клеток уха млекопитающих. Наши выводы предполагают, что у млекопитающих, включая людей, могут быть молекулярные различия между волосковыми клетками, которые позволяют слышать чудесный диапазон звуков, доставляющих удовольствие.»

——
www.nature.com/articles/s41467-017-01604-2
www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171221133653.htm

Раздел: Интересные факты
Метки: ,
Похожие статьи:

В условиях выбора рыбка данио охотно принимает наркотики

Воссоздано солцезащитное покрытие рыб

Клеточные механизмы окраски данио

Деварио патирана

Исследователи визуально пронаблюдали процессы запоминания и вспоминания у данио

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *