UCSD-Studie über unkoordinierte Fruchtfliegen liefert molekulare Hinweise auf Hörprobleme beim Menschen

UCSD-Studie über unkoordinierte Fruchtfliegen liefert molekulare Hinweise auf Hörprobleme beim Menschen
UCSD-Studie über unkoordinierte Fruchtfliegen liefert molekulare Hinweise auf Hörprobleme beim Menschen
Anonim

In einer ausgeklügelten Studie über stark unkoordinierte Fruchtfliegen haben Wissenschaftler der University of California in San Diego die ersten molekularen Hinweise darauf erh alten, wie Menschen und andere komplexe Organismen hören, ihr Gleichgewicht h alten und Berührungen wahrnehmen.

In der Science-Ausgabe vom 24. März berichten die Forscher des Department of Biology und des Howard Hughes Medical Institute der Universität über ihre Entdeckung eines Gens in Drosophila, das, wenn es verändert wird, die molekulare Funktion der Mechanorezeptorzellen der Fruchtfliege stört.Dies führt dazu, dass Fliegen die Welt um sie herum weder hören noch wahrnehmen können und so unkoordiniert sind, dass sie ohne die Hilfe der Forscher schnell sterben.

"Man muss sie buchstäblich von Hand füttern, ihnen Nahrung in den Mund stecken, weil sie so unkoordiniert sind, dass sie einfach nicht anders funktionieren können", sagte Richard G. Walker, ein Postdoktorand bei UCSD und Erstautor der Studie. "Es ist eine tödliche Mutation, denn sobald sie aus ihrer Puppenhülle kommen, sind sie so unkoordiniert, dass sie einfach in ihr Essen fallen, das irgendwie klebrig ist, wo sie stecken bleiben und sterben."

Wissenschaftler wissen seit 15 Jahren, dass mechanische Energie in Form von Geräuschen und Berührungen von winzigen Mechanorezeptorzellen in chemische und elektrische Signale umgewandelt werden können, die vom Gehirn verarbeitet werden, um zu hören, Berührungen wahrzunehmen, das Gleichgewicht zu h alten und die Position der eigenen Gliedmaßen im Raum bestimmen. Viele dieser Zellen, die in Wirbeltieren und wirbellosen Tieren vorkommen, bestehen aus winzigen haarähnlichen Strukturen, die, wenn sie abgelenkt werden, Ionenkanäle in den Zellen öffnen und die Freisetzung von Neurotransmittern auslösen, die dann elektrische Reaktionen im Gehirn hervorrufen.

"Die mechanischen Sinne werden durch die Evolution konserviert, von den kleinsten Organismen bis hin zum Menschen, weil sie alle diese entscheidende Funktion erfüllen, nämlich auf mechanische Stimulation zu reagieren", sagte Charles S. Zuker, ein Professor für Biologie, der die Leitung übernahm die Studium. "Unsere Freude an wunderbaren Symphonien ist nichts anderes als die Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Signale durch die Zellen in unserem Innenohr."

Wissenschaftler wissen nicht, wie Gene die detaillierten molekularen Prozesse in diesen Mechanorezeptorzellen beeinflussen. Solche Zellen sind typischerweise klein und relativ selten, was es für Forscher schwierig macht, genügend Material für biochemische Studien zu sammeln. Aber bei Drosophila sind die Borsten der Mechanorezeptorzellen am Brustkorb des Insekts besonders groß und hervorstehend, was sie für biochemische und elektrophysiologische Studien zugänglich macht. Da so viele ihrer Gene identifiziert und kartiert wurden, ist die Fruchtfliege auch ein idealer Organismus, um genetische Studien durchzuführen.

Um die Studie durchzuführen, untersuchte Walker zunächst 27 Drosophila-Stämme mit genetischen Mutationen, die sie stark unkoordiniert machten. Es wird angenommen, dass diese Mutanten, die vor sechs Jahren von Maurice Kernan, einem Postdoktoranden in Zukers Labor, der jetzt an der State University of New York in Stony Brook arbeitet, isoliert wurden, eine Vielzahl von Mutationen aufweisen, die verhindern, dass ihr Gehirn Signale von ihnen empfängt Mechanorezeptorzellen.

Walker wollte jedoch nur die Mutanten mit Defekten im mechanoelektrischen Transduktionsweg selbst. Er fand sie, indem er die elektrischen Ströme ihrer Mechanorezeptorneuronen maß, wenn die Haarborsten der Zellen leicht abgelenkt wurden, eine Aktion, die bei normalen Insekten einen kleinen elektrischen Strom erzeugt. Die Zellen sind so empfindlich, dass eine Bewegung, die die Borsten nur um einen Bruchteil eines Mikrometers auslenkt, vom Gehirn wahrgenommen werden kann.

Nachdem Walker drei Stämme gefunden hatte, die wenig oder gar keinen elektrischen Strom produzierten, nompC für „kein Mechanorezeptorpotential C“genannt, identifizierte er ein Gen, das einen neuartigen Ionenkanal codiert, der, wenn er in nompC-Fliegen gelegt wurde, die Mutanten wieder normal machte.Aarron T. Willingham, ein Doktorand, der in Zukers Labor arbeitet, verband die Defekte mit Mutationen in diesem Gen und bestätigte die Identität von nompC.

"Sobald sie nompC geklont hatten, war alles klar", sagte Peter G. Gillespie vom Oregon Hearing Research Center und Vollum Institute an der Oregon He alth Sciences University. „NompC ist definitiv Teil des Transduktionskanals der Fliege, entweder die Pore selbst oder eine Hauptkomponente. Diese Arbeit ist von enormer Bedeutung, da sie darauf hindeutet, dass man andere Mechanotransduktionskanäle finden könnte, indem man nach Verwandten von nompC sucht. Identifizieren Sie jedes Protein, das in einem beliebigen mechanischen dient Übertragungsapparat war außergewöhnlich schwierig. Aber hier haben wir eine klare Antwort."

Die UCSD-Forscher fanden ein homologes oder funktionell ähnliches Protein, das von einem ähnlichen Gen im Spulwurm C. elegans produziert wird. Sie vermuten, dass ähnliche Gene und Proteine ​​in Menschen und anderen Wirbeltierorganismen gefunden werden, die die gleiche genetische und biochemische Maschinerie wie Drosophila und C.elegans durch Evolution.

"Wenn wir eines in den letzten 80 Jahren gelernt haben, dann, dass Modellorganismen wie Drosophila wunderbare Entdeckungsmaschinen sind", sagte Zuker. „Sie erlauben uns nicht nur, uns effizient auf Probleme zu konzentrieren, die in höheren Organismen schwer zu verfolgen sind, sie rekapitulieren auch viel von der gleichen Biologie wie komplexere Formen. Im Wesentlichen sind wir nichts als eine große Fliege.“

Er und seine Kollegen glauben, dass ihre Entdeckung Anwendung finden könnte, um Hörverlust zu verstehen und zu behandeln, von dem schätzungsweise etwa 30 Millionen Amerikaner betroffen sind.

"So schwer es auch sein mag, sich das vorzustellen, es gibt sehr starke entwicklungsbezogene und physiologische Parallelen zwischen der Mechanosensation, wie sie von Fliegenborsten und dem menschlichen Innenohr ausgeübt wird", sagte James W. Posakony, Biologieprofessor an der UCSD. „Es ist also durchaus möglich, dass eine menschliche Version dieses Kanalproteins existiert und eine wichtige Rolle dabei spielt, wie wir hören.Dies wäre für das Verständnis sowohl der Hör- als auch der Taubheit beim Menschen von großer Bedeutung."

"Hörverlust ist ein großes medizinisches Problem in Industrieländern, weil Hörverlust in vielen verschiedenen Formen und Gest alten auftritt", sagte Zuker. „Viele werden vererbt und viele sind auf Missbrauch zurückzuführen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass beide Arten menschlicher Erkrankungen eng mit Mängeln in der Leistungsfähigkeit dieser Zellen verbunden sind. Das Verständnis des Mechanismus der mechanosensorischen Signalübertragung kann also einige sehr wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie man es tun kann Hörstörungen behandeln, vorbeugen und diagnostizieren."

Beliebtes Thema