Предполагая, что эти адаптации имеют коренную генетическую причину, группа ученых во главе с Люсией Франкини из Национального совета научных и технологических исследований (CONICET) в Буэнос-Айресе, Аргентина, поставила своей целью выявить генетические основы, лежащие в основе эволюции. внутреннего уха у млекопитающих. Их последние открытия подчеркнули перспективность их подхода, который выявил два новых гена, участвующих в слухе. Исследование было опубликовано в расширенном онлайн-издании Molecular Biology and Evolution.
«Эта статья основана на предположении, что эволюция новинок, связанных со слухом внутреннего уха млекопитающих, должна оставить заметный след адаптивной молекулярной сигнатуры», – сказал Франкини. "Эта работа подчеркивает полезность эволюционных исследований для определения новых ключевых функциональных генов."
Основные процессы слуха у разных видов млекопитающих одинаковы. Слуховая система млекопитающих характеризуется средним ухом, состоящим из трех косточек (наковальня (наковальня), молоток (молоток) и стремени (стремени), которые передают звук во внутреннее ухо).
Группа Франкини сосредоточилась на внутреннем ухе, которое превращает изменения интенсивности звука в электрические сигналы, которые мозг может обрабатывать.
Во внутреннем ухе находится улитка в форме улитки, которая преобразует звуковые волны в нервные импульсы, включая слуховой орган Корти, который обладает двумя типами специализированных сенсорных волосковых клеток (HCs), внутренними (IHC) и внешними волосковыми клетками (OHC).
«В улитке млекопитающих IHC и OHC демонстрируют четкое разделение труда», – объясняет Франкини. "IHCs получают и передают звуковую информацию, действуя как настоящие сенсорные клетки, в то время как OHCs усиливают звуковую информацию. Таким образом, IHC, которые являются первичными преобразователями, высвобождают глутамат для возбуждения сенсорных волокон улиткового нерва, а OHC действуют как биологические моторы, усиливая движение сенсорного эпителия."
В своем исследовании они использовали двусторонний подход, дополняя сравнение генов in silico с последующими экспериментальными исследованиями, чтобы получить более полное представление о генетической схеме, лежащей в основе адаптации внутреннего уха млекопитающих.
«Эти функциональные и морфологические инновации во внутреннем ухе млекопитающих способствуют его уникальной способности слышать», – сказала ведущий автор Лючия Франкини. Однако генетические основы, лежащие в основе эволюции этого ориентира среди млекопитающих, плохо изучены. Мы предполагаем, что появление морфологических и функциональных новшеств во внутреннем ухе млекопитающих могло быть вызвано адаптивной молекулярной эволюцией."
Во-первых, они воспользовались преимуществами обширных баз данных по экспрессии генов для выполнения программных или, in silico, сравнительных исследований 1300 генов с целью выявления генов, которые, возможно, были выбраны для того, чтобы помочь млекопитающим адаптироваться в течение эволюционного периода. В общей сложности они обнаружили 13% или 165 генов внутреннего уха, которые могли быть отобраны для адаптации.
«Этот анализ показал, что как IHC, так и OHC прошли аналогичные уровни адаптивной эволюции генов, вероятно, лежащие в основе морфологического и функционального ремоделирования, которым оба клеточных типа подверглись в линии млекопитающих», – сказал Франкини.
«Примечательно, что мы обнаружили, что при анализе функциональных категорий позитивно выбранных генов наиболее обогащенными функциональными терминами были« связывание с цитоскелетным белком »и« структурная составляющая цитоскелета ». Эти данные показывают, что гены OHC, прошедшие положительный отбор, могли способствовать приобретению узкоспециализированного цитоскелета, присутствующего в этих клетках, который лежит в основе его отличительных функциональных свойств, включая соматическую электромобильность."
Затем они экспериментально проверили функции генов слуха в серии исследований на мышах.
Среди них они сосредоточились на двух ранее неизвестных генах внутреннего уха: STRIP2 (из взаимодействующего со стриатином белка 2) и ABLIM2 (связывающий актин домен LIM 2), которые функционально характеризовались созданием новых штаммов мутантных мышей с использованием технологии CRISPR / Cas9. В каждом случае они использовали CRISPR, чтобы отключить часть нормальной функции гена, чтобы увидеть, как это влияет на генетические схемы слуха.
«Мы провели функциональные исследования слуха у недавно созданных мутантных мышей Strip2 и Ablim2 с помощью двух дополнительных методов, которые позволяют проводить дифференциальную диагностику OHC по сравнению с IHC / нейрональной дисфункцией во всей улитке», – сказал Франчини. «Чтобы оценить целостность слуховой системы, мы записали ABR (слуховые реакции ствола мозга), которые представляют собой вызванные звуком потенциалы, генерируемые нейронными цепями в восходящих слуховых путях. Мы также оценили функцию OHC с помощью тестирования отоакустической эмиссии продукта искажения (DPOAE)."
Они обнаружили, что Strip2, вероятно, играет функциональную роль в первом синапсе между IHC и нервными волокнами. Более того, когда они находились на сенсорном эпителии улитки, они обнаружили значительное сокращение синапсов слухового нерва. Напротив, мутантные исследования Ablim2 показывают, что отсутствие Ablim2 не влияет ни на усиление улитки, ни на функцию слухового нерва.
«Таким образом, с помощью этого эволюционного подхода мы обнаружили, что STRIP2 подвергся сильному положительному отбору в линии млекопитающих и играет важную роль в физиологии внутреннего уха», – сказал Франкини. «Более того, наши комбинированные эволюционные и функциональные исследования позволяют нам предположить, что обширное эволюционное ремоделирование, которое этот ген претерпел в линии млекопитающих, обеспечило адаптивную ценность. Таким образом, наше исследование является доказательством концепции, согласно которой эволюционные подходы в сочетании с функциональными исследованиями могут быть полезным инструментом для выявления новых ключевых игроков в функции органов и тканей."