Nordwestliche Forscher klonen Gen, das für den Innenohrmotor verantwortlich ist

Nordwestliche Forscher klonen Gen, das für den Innenohrmotor verantwortlich ist
Nordwestliche Forscher klonen Gen, das für den Innenohrmotor verantwortlich ist
Anonim

EVANSTON, Illinois – Eine neue Studie der Northwestern University, die das Verständnis der Genetik von Hörstörungen fördert, wird in der Ausgabe vom 11. Mai der Zeitschrift Nature veröffentlicht. In einer ungewöhnlichen Zusammenarbeit von Hörwissenschafts- und Molekularbiologieexperten haben Forscher ein Gen geklont, das nach der musikalischen Notation presto benannt ist und für die Funktion der äußeren Haarzelle, einer sensorischen Rezeptorzelle, die nur im Innenohr von Säugetieren vorkommt, entscheidend ist.

Forschungsteams unter der Leitung von Peter Dallos, John Evans Professor of Neuroscience, und Laird D.Madison, M.D., Assistenzprofessor am Zentrum für Endokrinologie, Stoffwechsel und Medizin an der Medizinischen Fakultät der Universität, haben erfolgreich das Gen Prestin geklont, das für ein Protein (Prestin) kodiert, das ein wichtiger molekularer Motor in der äußeren Haarzelle ist. Prestin ist ein neuer biologischer Motor bei Säugetieren, der sich den klassischen molekularen Motoren Kinesin, Dynein und Myosin anschließt, wobei letzteres das Protein ist, das die Muskelkontraktion auslöst.

Ungefähr 25 Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten sind stark schwerhörig, und viele dieser Defizite hängen mit dem Verlust der Funktion der äußeren Haarzellen zusammen. Zusätzlich zu den gesundheitlichen Auswirkungen der Entdeckung von Prestin könnten diese winzigen biokompatiblen Motoren ein Segen für das sich entwickelnde Gebiet der Nanotechnologie sein.

"Dies ist eine wegweisende Studie", sagte Mario Ruggero, Hugh-Knowles-Professor für Hörwissenschaften und Leiter des Programms für Audiologie und Hörwissenschaften, Abteilung für Kommunikationswissenschaften und -störungen, bei Northwestern.„Es identifiziert die molekulare Grundlage für den beweglichen Prozess, der die äußeren Haarzellen der Cochlea von Säugetieren einzigartig macht und der möglicherweise für die außerordentliche Empfindlichkeit der Schallwahrnehmung beim Menschen verantwortlich ist.“

Es wird allgemein angenommen, dass äußere Haarzellen als lokale mechanische Verstärker der ankommenden Schallschwingungen wirken und dem Säugetierohr seine außergewöhnliche Empfindlichkeit und Frequenzauflösung verleihen. Während der Verstärkung dehnen und kontrahieren sich die zylinderförmigen äußeren Haarzellen mit der gleichen sehr schnellen Rate wie die Frequenz des eingehenden Schalls. Sie verstärken die Signale, die von den inneren Haarzellen empfangen werden, den Sinneszellen in der Cochlea, die für die Kommunikation mit dem zentralen Nervensystem verantwortlich sind. Die inneren Haarzellen senden die Hörinformationen an das Gehirn, das sie als Teekesselpfeife oder Puccini-Arie interpretiert.

"Wir waren fest davon überzeugt, dass ein molekularer Motor für die Veränderung der Zelllänge verantwortlich ist, also machten wir uns auf die Suche nach dem Motormolekül, das für das Hören bei Säugetieren so entscheidend ist", sagte Dallos, ebenfalls Professor von Hugh Knowles Audiologie und Hörwissenschaften.„Das Erstaunlichste an diesem Motor ist seine Geschwindigkeit. Er bewegt sich schneller als alles andere, was wir im menschlichen Körper kennen.“

Menschen können Geräusche hören, deren Frequenzen von einem Grollen bis zu einem Quietschen reichen, von ungefähr 20 bis 20.000 Hertz (Zyklen pro Sekunde). Kleine Säugetiere, zum Beispiel Mäuse, können bis zu 60.000 Hz hören. Das bedeutet, dass ein hohes Quietschen dazu führen kann, dass die äußeren Haarzellen ihre Länge bis zu 60.000 Mal pro Sekunde ändern. Ein Lärmtrauma, beispielsweise aufgrund von lauter Musik oder einer Explosion in der Nähe, kann äußere Haarzellen schädigen oder zerstören, von denen Säugetiere eine feste Anzahl nahe der Geburt haben. Ohne äußere Haarzellen kann keine Verstärkung stattfinden und die Hörfähigkeiten eines Säugetiers sind stark verringert, was ihm eine primitive Form des Hörens belässt.

Zusätzlich zu seiner Geschwindigkeit besteht das andere einzigartige Merkmal des Prestin-Motors darin, dass er keine zusätzliche biologische Energie wie Adenosintriphosphat (ATP) benötigt, um zu funktionieren. Stattdessen erzeugt der eingehende Schallreiz elektrische Spannungsänderungen in den äußeren Haarzellen, die den Prestin-Motor antreiben.Im Gegensatz zu Prestin benötigt die Funktion der anderen biologischen Motoren, Kinesin, Dynein und Myosin, ATP, das wichtigste Energiemolekül in den Zellen.

Auf der Suche nach dem Gen, das für das Motorprotein der äußeren Haarzelle verantwortlich ist, analysierten die Dallos-Madison-Teams die genetische Ausstattung der äußeren und inneren Haarzellen von Rennmäusen. Diese beiden Zelltypen sind einander sehr ähnlich, mit Ausnahme bestimmter Proteine, die nur in den äußeren Haarzellen vorkommen. Innere Haarzellen sind nicht beweglich.

"Die wirkliche Schwierigkeit während dieses Prozesses war, dass wir nur eine begrenzte Menge an Material hatten, mit dem wir arbeiten konnten", sagte Madison. „Wir mussten jeweils etwa tausend der inneren und äußeren Haarzellen isolieren, eine schwierige Aufgabe, wenn man es mit einem nur wenige Millimeter großen und von Knochen umgebenen Innenohr zu tun hat.“

Mit einer Technik namens subtraktive PCR-Hybridisierung amplifizierten die Forscher zunächst die Unterschiede der Zellen und subtrahierten ihre Gemeinsamkeiten.Dies hinterließ eine Handvoll Gene, die nur in äußeren Haarzellen zu finden sind. Die Forscher trafen dann eine fundierte Entscheidung, welches Gen zuerst getestet werden sollte, und glücklicherweise stellte sich heraus, dass das erste Gen das richtige war.

Als nächstes transfizierten die Forscher das ausgewählte Gen in menschliche Nierenzellen, Zellen, die normalerweise keine mikroskopischen Bewegungen zeigen. Das Prestin-Protein des Gens wurde in den Zellen exprimiert, und wenn die Forscher eine Spannung anlegten, stellten sie eine spannungsregulierte Bewegung in den Nierenzellen fest. Dies lieferte den funktionalen Beweis, dass sie das Motorgen und -protein identifiziert hatten. In Anerkennung der Geschwindigkeit des Motors benannte das Team das Gen Prestin nach der Musiknotation presto, was sehr schnelles Tempo bedeutet.

Die Geschwindigkeit des Motors, sagten die Forscher, und die Tatsache, dass er keine zusätzliche biologische Energie benötigt, sondern nur eine Spannung, wie die von einer Batterie, um zu funktionieren, ist vielversprechend für Anwendungen in der Nanotechnologie.

"Hier haben wir ein Molekül, das Elektrizität direkt in mechanische Kraft umwandelt", sagte Dallos."Dieser neuartige Motor könnte möglicherweise zum Bau von Maschinen im molekularen Maßstab verwendet werden." Die anderen biologischen Motoren sind schlechte Kandidaten, weil sie langsam sind und zusätzliche Energie benötigen, um zu arbeiten.

"Dies ist eine aufregende Entwicklung für die Nanotechnologie", sagte Laurence Marks, Professor für Materialwissenschaft und -technik an der Northwestern und Experte für Nanotechnologie, Elektronenmikroskopie und atomare Strukturen. „Man kann sich vorstellen, Hybridstrukturen mit diesem Protein in künstlichen Membranen zu schaffen, die Teil von Nano Electro-Mechanical Systems (NEMS) sind, zum Beispiel biologische Pumpen, die für die Arzneimittelabgabe verwendet werden könnten.“

Dallos und Madison werden die Anwendungen der Nanotechnologie jedoch wahrscheinlich anderen Forschern überlassen. Mit dem Prestin-Gen in der Hand haben die Forscher ihre nächsten Schritte geplant, um mehr über Prestin und das Hören zu erfahren. Ihr Hauptziel ist es, Tiere zu erschaffen, denen das Prestin-Protein fehlt, und dann zu untersuchen, wie diese Tiere hören.Wie wirkt sich zum Beispiel das Fehlen des Motors auf das Gehör aus? Sie wollen auch die Struktur des Proteins besser charakterisieren und verstehen, wie das Molekül Verschiebungen mit solch phänomenalen Geschwindigkeiten erzeugt. Und mit einem besseren Verständnis des Motorproteins hoffen die Forscher, schlüssig zeigen zu können, wie der Amplifikationsprozess der äußeren Haarzellen funktioniert.

"Seit mehr als 30 Jahren steht Peter Dallos weltweit an vorderster Front in der Erforschung des peripheren Gehörsystems", sagte David Hanson, M.D., Inhaber des Lehrstuhls für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde an der Medizinischen Fakultät und Direktor des Zentrums für Sensorik und Kommunikationsstörungen bei Northwestern. "Die Identifizierung von Prestin ist ein sehr wichtiger Beitrag zum Verständnis der Genetik von Hörstörungen, einem Bereich, in dem wir große Fortschritte machen."

Zusätzlich zu Dallos und Madison sind weitere Autoren der Veröffentlichung der Erstautor Jing Zheng, David Z.Z. Er und Weixing Shen vom Labor für Hörphysiologie der Northwestern University und Kevin B. Long von der Medizinischen Fakultät der Universität.

Die Forschung wurde durch ein Senior Fellowship an Peter Dallos vom McKnight Endowment Fund for Neuroscience und dem National Institute on Deafness and Other Communication Disorders unterstützt.

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