Мутантные белки волосковых клеток сделали землекопов почти глухими

Об этом говорится в исследовании, опубликованном в журнале Current Biology.

Один из важнейших элементов уха позвоночных — улитка, спиральный костный канал. Внутри него расположен звуковоспринимающий аппарат, который состоит из рецепторных волосковых и опорных клеток. На верхушке каждой волосковой клетки расположен пучок стереоцилий (волосков), которые соединены друг с другом белковыми тяжами. Когда звуковое колебание достигает стереоцилий, они вместе отклоняются от своего изначального положения, тяжи между ними растягиваются, и на мембране волосков открываются каналы. Через них в клетку входят положительно заряженные ионы кальция, она деполяризуется и передает сигнал нейронам слухового нерва.

Внутренняя и наружная волосковые клетки улитки

Medical Physiology 3rd edition / Walter F. Boron, 2016

Волосковые клетки по расположению в улитке и функциям делят на две группы — внутренние и наружные. Наружные соединены в пучки (во многом за счет соединения стереоцилий с соседями) и выступают в роли кохлеарного усилителя — способны избирательно усиливать тихие звуки и этим повышать чувствительность слуха млекопитающих. Когда звуковая волна достигает наружных волосковых клеток, они начинают синхронно колебаться, удлиняясь, и это усиливает звук, идущий в глубь улитки.

Несмотря на широкий репертуар звуков, которые издают голые землекопы Heterocephalus glaber и их детеныши, слышат они очень слабо. То же верно и для других близких видов. Чтобы выяснить, почему это происходит, исследователи из Университетского медицинского центра Гронингена под руководством Сони Пиотт (Sonja Pyott) провели несколько серий экспериментов на землекоповых грызунах — голом землекопе и дамарском пескорое Fukomys damarensis. Поскольку нарушения слуха могут возникать на разных уровнях сенсорной системы, ученые проверили состояние и пучков наружных волосковых клеток землекопов, и стереоцилий этих клеток, и проводящих путей слуховой системы.

Биологи измерили у грызунов силу ответа нейронов ствола мозга на звуки разной частоты, а также отоакустическую эмиссию — колебания, которые возникают, когда проявляется эффект кохлеарного усилителя. Чтобы исследовать строение наружных волосковых клеток, биологи использовали сканирующую электронную микроскопию.

Также авторы проанализировали строение гена белка престина, отвечающего за удлинение этих рецепторов. Причиной тугоухости землекоповых могли бы быть мутации в этом гене. Также известно, что мутации в некоторых белках, связывающих волосковые клетки человека в пучки, связаны с глухотой. Исследователи предположили, что такие мутации есть и у землекопов, и проверили аминокислотный состав соответствующих белков Heterocephalus glaber и Fukomys damarensis и сравнили его с таковым у других млекопитающих.

Фото пучков волосковых клеток голого и дамарского землекопов в разных частях улитки

Sonja J. Pyott et al. / Current Biology, 2020

Оказалось, что у голого и дамарского землекопов порог слуховой чувствительности гораздо выше, чем у мышей. Пучки наружных волосковых клеток у землекопов отсутствовали в некоторых частях улитки, где они есть у других видов, а многие имеющиеся были организованы иначе, чем у мышей. Углы между такими пучками у голых землекопов составляли от −30,5 до 34,5 градуса, а дамарских — от −39 до 37 градусов. У домовых мышей, которые слышат хорошо, аналогичные углы находятся в диапазоне от −6,5 до 3,5 градуса.

При этом наружные волосковые клетки землекопов, судя по всему, сохранили способность удлиняться: значимых мутаций в гене престина ученые не выявили. Зато они нашли 78 таких мутаций в 12 белках, связывающих волосковые клетки (к примеру, ADGRV1, CDH23, CEACAM16). Большинство из них были уникальны для какого-то одного из двух видов, но некоторые присутствовали у обоих землекопов. Это может свидетельствовать о направленной эволюции этих молекул.

Исследователи сравнили все нуклеотидные замены в генах указанных белков и выяснили, что для пяти из них доля несинонимичных замен выше, чем доля синонимичных. Это значит, что мутации, которые меняют структуру ADGRV1 и прочих рассмотренных в работе, чаще встречаются в геномах землекопов, чем те, которые оставляют белки нетронутыми. Сравнение долей замен используется для изучения эволюции белков: если несинонимичных мутаций значительно больше, можно утверждать, что они были подвергнуты позитивному отбору и позволяли их носителям успешнее выживать и размножаться. На основании этих данных ученые предполагают, что глухота могла быть полезна землекопам.

Недавно выяснилось, что у голых землекопов фермент гексокиназа в гораздо больших количествах связывается с мембранами митохондрий, чем у мышей, у которых в зрелом возрасте и старости большая часть молекул этого вещества находится в свободном состоянии в цитоплазме. В связке с митохондриями гексокиназа снижает количество образующихся при дыхании свободных радикалов и защищает клетку от окислительного стресса — и тем самым, вероятно, от старения. Об этом рассказывает наша заметка.