Два молекулярных рукопожатия для улучшения слуха
Ученые узнали больше об ухе на молекулярном уровне, и это открытие может помочь им понять, как и почему люди теряют способность слышать. Кредит: Shutterstock.com

Мы слышим звуки отчасти потому, что крошечные волокна внутри нашего внутреннего уха помогают преобразовывать голоса, музыку и шумы в электрические сигналы, которые отправляются в наш мозг для обработки. Теперь ученые нанесли на карту и смоделировали эти волокна на атомном уровне. Это открытие пролило свет на то, как работает внутреннее ухо, и могло помочь исследователям узнать больше о том, как и почему люди теряют способность слышать.

Результаты, опубликованные на прошлой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, касаются очень тонких волокон во внутреннем ухе, называемых кончиками звеньев. Когда звуковые колебания достигают внутреннего уха, они заставляют эти концевые звенья растягиваться и открывать ионные каналы сенсорных клеток внутри улитки внутреннего уха, крошечного органа в форме улитки, который позволяет нашему мозгу воспринимать звук. Когда концевые звенья открывают эти каналы, они запускают электрические сигналы улитки, которые мы интерпретируем как звук.

Ссылки на подсказки очень важны для восприятия; их неисправность вызывает потерю слуха и нарушение равновесия. Концевые звенья состоят из белков кадгерина-23 и протокадгерина-15, которые, как выяснили ученые, участвуют в наследственной глухоте. Ученые знали, что чаевые ссылки важны для слуха и баланса, но до этого исследования не знали, как чаевые ссылки были структурированы на атомарном уровне.

По сути, сказал Маркос Сотомайор, доцент химии и биохимии в Университете штата Огайо и ведущий автор исследования, у ученых раньше были изображения ссылок с низким разрешением. Эта работа дала им изображения с высоким разрешением и показала ключевую связь между двумя белками, которые образуют концевые связи.

«Теперь мы можем видеть атом и создавать фильмы на основе физики о том, как эти звенья наконечника реагируют на силы, генерируемые звуком», — сказал Сотомайор. «Это может многое рассказать нам о том, как они работают и что происходит, когда они перестают работать».

Исследователи выделили части белков концевого звена и использовали рентгеновскую кристаллографию — метод, который позволяет ученым получить структуры биомолекул с атомным разрешением — для построения атомных моделей полной части концевого звена, состоящей из протокадгерина. 15 и его связь с кадгерином-23.

Работа над этими белками началась более десяти лет назад, когда Сотомайор получил первые структуры кончиков кадгерина-23 и протокадгерина-15 и обнаружил, что эти белки взаимодействуют с помощью расширенного молекулярного «рукопожатия». В исследовании, опубликованном на прошлой неделе, исследователи показали, что соединение использует два молекулярных «рукопожатия», которые укрепляют нить. Считается, что эти «рукопожатия» необходимы для слуха и баланса внутреннего уха всех позвоночных.

Исследователи использовали атомные модели для компьютерного моделирования подсказок, чтобы увидеть их в действии.

«Это наиболее полные и продвинутые на сегодняшний день молекулярные модели и имитации ссылки на подсказку, которые требуют использования огромных вычислительных ресурсов», — сказал Сотомайор.

При моделировании, выполненном на суперкомпьютерах Суперкомпьютерного центра Огайо, Техасского центра передовых вычислений и Питтсбургского суперкомпьютерного центра, использовалось до тысячи вычислительных ядер, работающих параллельно в течение нескольких месяцев. Это моделирование показало сложную динамику звеньев наконечника при ответе на звук. Траектории моделирования, похожие на молекулярные «фильмы», выделяют условия, в которых концевые звенья могут вести себя как мягкие пружины или жесткие тросы, натягивающие ионные каналы, позволяющие нам слышать.

«Эти структуры также выявляют сайты с типичными ссылками, которые мутировали в результате наследственной глухоты», — сказал Сотомайор. «Таким образом, мы можем попытаться понять, что происходит со ссылками-подсказками, когда эти сайты были изменены мутациями, не только глядя на статические структуры, но и на моделируемые траектории ссылок-подсказок, реагирующих на звук».

Все части нашего уха предназначены для преобразования звуковых волн в электрические сигналы, которые наш мозг обрабатывает. Звук сначала достигает внешнего уха, а затем попадает в среднее ухо, где попадает в барабанную перепонку, заставляя кости внутри среднего уха двигаться. Это движение заставляет звуковые колебания распространяться во внутреннее ухо, где в конечном итоге колебания достигают улитки и становятся электрическими сигналами для мозга. Процесс происходит быстро, за несколько миллионных долей секунды, но если какая-либо часть системы выходит из строя, звуковой сигнал либо искажается, либо вообще не достигает мозга.

Подсказки — это одни из самых маленьких частей и без того крошечной и сложной системы. Они прикрепляются к верхушкам микроскопических волосков, которые намного меньше волос на вашей голове или тонких волосков внутри наших ушей, которые с возрастом начинают становиться видимыми в зеркале. Микроскопические волоски в улитке внутреннего уха расположены над сенсорными клетками, называемыми «волосковыми клетками», и расположены в пучке, который движется со звуковыми колебаниями. Сила движения пучка волосковых клеток заставляет концевые звенья открывать очень маленькие каналы, которые позволяют положительно заряженным ионам перемещаться из-за пределов клетки внутрь клетки, создавая основу для электрических сигналов, которые будут перемещаться из улитки в мозг человека. .

Подобные волосковые клетки расположены в вестибулярной системе внутреннего уха и отвечают за наше чувство равновесия. Когда мы двигаем головой, пучки волосковых клеток вестибулярного аппарата срезаются и растягивают свои концевые звенья, вызывая электрические сигналы, которые мозг использует для поддержания равновесия и зрения.

«Если у вас нет ссылки для чаевых, вы не слышите и не можете балансировать», — сказал Сотомайор. «Они необходимы».

Это новое понимание атомной структуры белков концевых звеньев, по словам Сотомайора, может помочь исследователям и врачам лучше понять, почему концевые звенья не работают, и, возможно, как их предотвратить. Два белка, которые образуют концевые звенья, кадгерин-23 и протокадгерин-15, также находятся в головном мозге и в фоторецепторах глаза. Когда эти белки полностью нефункциональны, глубокая глухота сопровождается прогрессирующей слепотой при заболевании, называемом синдромом Ашера. Новые структуры протокадгерина-15 направляют усилия различных исследовательских групп, пытающихся использовать модифицированные версии этого белка для генной терапии синдрома Ашера.




Добавить комментарий

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