Стереоцилии (внутреннее ухо)
Во ухе внутреннем стереоцилии представляют собой механочувствительные органеллы волосковых клеток , которые реагируют на движение жидкости у многих типов животных для выполнения различных функций, включая слух и равновесие. Они имеют около 10–50 микрометров длину и имеют некоторые сходные черты с микроворсинками . [1] Волосковые клетки преобразуют давление жидкости и другие механические стимулы в электрические стимулы с помощью множества микроворсинок, составляющих стержни стереоцилий. [2] Стереоцилии существуют в слуховой и вестибулярной системах.
Морфология
[ редактировать ]Стереорецилии, напоминающие волосовидные выступы, собраны в пучки по 30–300 штук. [3] Внутри пучков стереоцилии часто выстраиваются в несколько рядов увеличивающейся высоты, наподобие лестницы. В основе этих волосоподобных стереоцилий лежат жесткие сшитые актиновые нити, которые могут обновляться каждые 48 часов. Эти актиновые нити обращены своими положительными концами к кончикам стереоцилий, а отрицательными концами - к основанию, и могут иметь длину до 120 микрометров. [3] Нитчатые структуры, называемые кончиковыми звеньями , соединяют кончики стереоцилий соседних рядов в пучках. Верхние звенья состоят из почти вертикальных тонких нитей, которые идут вверх от верхнего конца более короткой стереоцилии к ее более высокому соседу. [2] Концевые звенья аналогичны крошечным пружинам, которые при растяжении открывают катионселективные каналы в , позволяя ионам течь через клеточную мембрану волосковые клетки. Они также участвуют в передаче силы через пучок волос и поддержании структуры пучка волос. [4]
Слуховой путь
[ редактировать ]
В качестве акустических сенсоров у млекопитающих стереоцилии расположены в кортиевом органе внутри улитки внутреннего уха. При слухе стереоцилии преобразуют механическую энергию звуковых волн в электрические сигналы для волосковых клеток, что в конечном итоге приводит к возбуждению слухового нерва . Стереоцилии состоят из цитоплазмы, в которую встроены пучки сшитых актиновых нитей. Актиновые нити прикрепляются к концевой перепонке и верхней части клеточной мембраны и располагаются по высоте. [2] Когда звуковые волны распространяются в улитке, движение эндолимфатической жидкости изгибает стереоцилии. Если направление движения направлено к более высоким стереоцилиям, в звеньях кончиков развивается напряжение, механически открывая каналы трансдукции вблизи кончиков. Катионы из эндолимфы поступают в клетку, деполяризуя волосковую клетку и вызывая высвобождение нейротрансмиттеров в близлежащие нервы, которые посылают электрический сигнал в центральную нервную систему.
Вестибулярный путь
[ редактировать ]В вестибулярной системе стереоцилии располагаются в отолитовых органах и полукружных каналах . Волосковые клетки вестибулярной системы немного отличаются от клеток слуховой системы тем, что вестибулярные волосковые клетки имеют одну самую высокую ресничку, называемую киноцилией . Изгиб стереоцилий в сторону киноцилии деполяризует клетку и приводит к усилению афферентной активности . Отклонение стереоцилий от киноцилии гиперполяризует клетку и приводит к снижению афферентной активности. В полукружных каналах волосковые клетки находятся в ампулярном гребне , а стереоцилии выступают в ампулярную купулу . Здесь все стереоцилии ориентированы в одном направлении. В отолитах волосковые клетки покрыты маленькими кристаллами карбоната кальция, называемыми отокониями . В отличие от полукружных ходов киноцилии волосковых клеток отолитов ориентированы неодинаково. Киноцилии направлены к (в матке ) или от (в мешочке ) средней линии, называемой стриолой. [5]
Механоэлектрическая трансдукция
[ редактировать ]В улитке сдвиговое движение между текториальной мембраной и базилярной мембраной отклоняет стереоцилии, влияя на натяжение нитей кончиковых связей, которые затем открывают и закрывают неспецифические ионные каналы. [2] Когда напряжение увеличивается, поток ионов через мембрану в волосковую клетку также увеличивается. Такой приток ионов вызывает деполяризацию клетки, в результате чего возникает электрический потенциал, который в конечном итоге приводит к передаче сигнала слуховому нерву и мозгу. Идентичность механочувствительных каналов в стереоцилиях до сих пор неизвестна.
Считается, что каналы трансдукции, связанные со стереоцилиями, лежат на дистальных концах стереоцилий. [6] Отклонения стереоцилий в сторону самых высоких стереоцилий приводят к увеличению скорости открытия неспецифических катионных каналов. Это, в свою очередь, вызывает деполяризацию рецепторов и приводит к возбуждению афферентов улиткового нерва , расположенных у основания волосковой клетки . Отклонение стереоцилий в противоположном направлении к самым коротким стереоцилиям приводит к закрытию каналов трансдукции. В этой ситуации волосковые клетки становятся гиперполяризованными и нервные афференты не возбуждаются. [7] [8] [9]
Существует два разных типа жидкости, окружающей волосковые клетки внутреннего уха. Эндолимфа – это жидкость , окружающая апикальные поверхности волосковых клеток. Калий является основным катионом эндолимфы и, как полагают, отвечает за проведение рецепторных токов в улитке . Перилимфа расположена вокруг боковых сторон и оснований волосковых клеток. В перилимфе мало калия и много натрия . [8] [10] Различный ионный состав окружающей жидкости в дополнение к потенциалу покоя волосковой клетки создает разность потенциалов на апикальной мембране волосковой клетки, поэтому калий проникает, когда каналы трансдукции открываются. Приток ионов калия деполяризует клетку и вызывает высвобождение нейромедиатора , который может инициировать нервные импульсы в сенсорных нейронах, образующих синапс на основании волосковой клетки.
Разрушение стереоцилий
[ редактировать ]Стереоцилии (вместе со всей волосковой клеткой) у млекопитающих могут быть повреждены или уничтожены чрезмерными громкими шумами , болезнями, лекарствами, а также токсинами и не поддаются регенерации. [3] [11] шумом окружающей среды, , вызванное США, ухудшение слуха вероятно, является наиболее распространенным воздействием шума на здоровье По данным Агентства по охране окружающей среды . Аномальная структура/организация пучка стереоцилий также может вызвать глухоту и, в свою очередь, создать проблемы с равновесием у человека. У других позвоночных, если волосковая клетка повреждена, поддерживающие клетки будут делиться и заменять поврежденные волосковые клетки. [2]
Генетические исследования
[ редактировать ]Ген метионинсульфоксидредуктазы B3 (MsrB3), фермента репарации белка, участвует в крупномасштабной дегенерации пучка стереоцилий. [12] а также многие другие факторы, такие как гестационный возраст [13] и толерантность к холодным условиям у растений. [14] Хотя точный процесс патогенеза неизвестен, по-видимому, он связан с апоптотической гибелью клеток. [12] Исследование, основанное на сплайсинге морфолино для снижения экспрессии MsrB3 у рыбок данио, показало более короткие, тонкие и более скученные реснички , а также маленькие, неправильно расположенные отолиты . Некоторые стереоцилии также подверглись апоптозу . Инъекция мРНК MsrB3 дикого типа устраняла слуховые нарушения, что позволяет предположить, что MsrB3 помогает предотвратить апоптоз . [15]
Другой ген, DFNB74, участвует в рецессивной потере слуха. [16] Потеря слуха на основе DFNB74 может быть связана с митохондриальной дисфункцией. Глухота на основе DFNB74 и MsrB3 может быть связана друг с другом. Исследования этих генов основаны на семьях с рецессивной глухотой, а во многих неродственных семьях с этой глухотой есть мутации как DFNB74, так и MsrB3. [17]
Поврежденные или аномальные стереоцилии, являющиеся результатом генетических мутаций, часто вызывают потерю слуха и другие осложнения и могут передаваться детям. В недавнем исследовании исследователи изучали мышей, которые унаследовали мутировавший ген волосковых клеток, называемый вирлин, который приводит к более коротким и толстым стереоцилиям, которые организованы в дополнительные ряды и часто отмирают после рождения. [18] В настоящее время не существует методов лечения или репаративных мер для замены таких дефектных волосковых клеток у людей. Чтобы исправить эту мутацию, исследователи ввели генную терапию, содержащую исправленный ген, во внутреннее ухо мышей с генетической мутацией. Терапия восстановила стереоцилии до нормальной длины и устранила дополнительные ряды стереоцилий у новорожденных мышей-вертушек. Несмотря на восстановление волосковых клеток, у обработанных мышей Whirler не было выявлено признаков улучшения слуха после тестирования через один месяц и после трех месяцев лечения. Дальнейшие исследования направлены на то, чтобы понять, почему восстановление стереоцилий не улучшило слуховые способности мутировавших мышей.
Текущие исследования
[ редактировать ]Звук выше определенного уровня в децибелах может привести к необратимому повреждению стереоцилий внутреннего уха. Новое исследование показало, что ущерб можно обратить вспять, если мы сможем восстановить или воссоздать некоторые белки в стереоцилиях. В этом исследовании ученые использовали рыбок данио для изучения движения белков в живых клетках уха с помощью конфокального микроскопа . Это показало, что белки в стереоцилиях движутся быстро, указывая на то, что движение белков внутри волосковых клеток может быть очень важным фактором для поддержания целостности пучков волос во внутреннем ухе. Дальнейшие исследования показали, что миозин и актин , два белка, которые важны для движения клеток, движутся очень быстро. Фасцин 2b, белок, участвующий в сшивании актина, движется еще быстрее. Постоянное движение белков внутри клеток, а также их замена и корректировка помогают клеткам восстанавливать повреждения. Быстрое движение этих белков изменило наше понимание стереоцилий и указывает на то, что белки внутри стереоцилий не являются неподвижными и статичными. Дальнейшие исследования надеются изучить возможность манипулирования динамикой белков для восстановления функции слуха человека после повреждения. [19]
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Качечи, Т. VM8054 Ветеринарная гистология: мужская репродуктивная система. http://education.vetmed.vt.edu/Curriculum/VM8054/Labs/Lab27/Lab27.htm (по состоянию на 16 февраля 2006 г.).
- ^ Jump up to: а б с д и Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2002) Молекулярная биология клетки. Учебники по естествознанию в виде гирлянд.
- ^ Jump up to: а б с Рзадзинска А.К., Шнайдер М.Е., Дэвис С., Риордан Г.П., Качар Б. (2004). «Молекулярная беговая дорожка актина и миозины поддерживают функциональную архитектуру стереоцилий и их самообновление» . Дж. Клеточная Биол . 164 (6): 887–897. дои : 10.1083/jcb.200310055 . ПМК 2172292 . ПМИД 15024034 .
- ^ Цупрун В., Санти П. (2002). «Строение боковой части стереоцилий наружных волосковых клеток и прикрепительных звеньев улитки шиншиллы» . Дж. Гистохим. Цитохим . 50 (4): 493–502. дои : 10.1177/002215540205000406 . ПМИД 11897802 .
- ^ Грей, Линкольн. «Вестибулярная система: структура и функции». Neuroscience Online: электронная книга по нейробиологии . http://education.vetmed.vt.edu/Curriculum/VM8054/Labs/Lab27/Lab27.htm (по состоянию на 16 февраля 2006 г.).
- ^ Хадспет, Эй Джей (1982). «Внеклеточный ток и место трансдукции волосковыми клетками позвоночных» . Журнал неврологии . 2 (1): 1–10. doi : 10.1523/JNEUROSCI.02-01-00001.1982 . ПМК 6564293 . ПМИД 6275046 .
- ^ Хакни, CM; Фернесс, Д.Н. (1995). «Механотрансдукция в волосковых клетках позвоночных: структура и функция стереоцилиарного пучка». Американский журнал физиологии . 268 (1 Часть 1): C1–13. дои : 10.1152/ajpcell.1995.268.1.C1 . ПМИД 7840137 .
- ^ Jump up to: а б Кори, ДП; Хадспет, Эй Джей (1979). «Ионная основа рецепторного потенциала волосковой клетки позвоночных». Природа . 281 (5733): 675–677. Бибкод : 1979Natur.281..675C . дои : 10.1038/281675a0 . ПМИД 45121 .
- ^ Омори, Х. (1985). «Механоэлектрические трансдукционные токи в изолированных вестибулярных волосковых клетках цыпленка» . Журнал физиологии . 359 : 189–217. doi : 10.1113/jphysical.1985.sp015581 . ПМЦ 1193371 . ПМИД 2582113 .
- ^ Бошер, СК; Уоррен, Р.Л. (1978). «Очень низкое содержание кальция в эндолимфе улитки, внеклеточной жидкости». Природа . 273 (5661): 377–378. Бибкод : 1978Natur.273..377B . дои : 10.1038/273377a0 . ПМИД 661948 .
- ^ Цзя, Шупинг (2009). «Судьба волосковых клеток и стереоцилий улитки млекопитающих после потери стереоцилий» . Журнал неврологии . 29 (48): 15277–85. doi : 10.1523/jneurosci.3231-09.2009 . ПМЦ 2795320 . ПМИД 19955380 .
- ^ Jump up to: а б Квон, Тэ Джун (3 ноября 2013 г.). «Дефицит метионинсульфоксидредуктазы B3 вызывает потерю слуха из-за дегенерации стереоцилий и апоптотической гибели клеток в волосковых клетках улитки» . Молекулярная генетика человека . 23 (6): 1591–1601. дои : 10.1093/hmg/ddt549 . ПМИД 24191262 .
- ^ Ли, Хваджин (2012). «Метилирование ДНК показывает общегеномную связь NFIX, RAPGEF2 и MSRB3 с гестационным возрастом при рождении» . Международный журнал эпидемиологии . 41 (1): 188–199. дои : 10.1093/ije/dyr237 . ПМЦ 3304532 . ПМИД 22422452 .
- ^ Квон, Сун Джэ; Квон, Сун Иль; Пэ, Мин Сок; Чо, Ын Джу; Пак, Окмае К. (1 декабря 2007 г.). «Роль метионинсульфоксидредуктазы MsrB3 в холодовой акклиматизации арабидопсиса» . Физиология растений и клеток . 48 (12): 1713–1723. дои : 10.1093/pcp/pcm143 . ISSN 0032-0781 . ПМИД 17956860 .
- ^ Шен, Сяофан; Лю, Фэй; Ван, Инчжи; Ван, Хуэйцзюнь; Ма, Цзин; Ся, Вэньцзюнь; Чжан, Цзинь; Цзян, Нань; Сунь, Шаоян (2015). «Снижение уровня регуляции msrb3 и разрушение нормального развития слуховой системы посредством апоптоза волосковых клеток у рыбок данио» . Международный журнал биологии развития . 59 (4–5–6): 195–203. дои : 10.1387/ijdb.140200md . ПМИД 26505252 .
- ^ Варья, Ам; Рехман, А; Ахмед, Зм; Башир, З.Х.; Хан, Сай; Зафар, Ау; Риазуддин, С; Фридман, Тб; Риазуддин, С (1 сентября 2009 г.). «DFNB74, новый аутосомно-рецессивный локус несиндромального нарушения слуха на хромосоме 12q14.2-q15». Клиническая генетика . 76 (3): 270–275. дои : 10.1111/j.1399-0004.2009.01209.x . ISSN 1399-0004 . ПМИД 19650862 .
- ^ Ахмед, Зубайр М.; Юсуф, Ризван; Ли, Бён Чхон; Хан, Шахин Н.; Ли, Сью; Ли, Кванхёк; Хусейн, Тайяб; Рехман, Аттик Ур; Бонне, Сара (07 января 2011 г.). «Функциональные нулевые мутации MSRB3, кодирующего метионинсульфоксидредуктазу, связаны с глухотой человека DFNB74» . Американский журнал генетики человека . 88 (1): 19–29. дои : 10.1016/j.ajhg.2010.11.010 . ISSN 0002-9297 . ПМК 3014371 . ПМИД 21185009 .
- ^ «Генная терапия исправляет дефекты стереоцилий во внутреннем ухе мышей с наследственной глухотой» . www.nidcd.nih.gov . Проверено 4 декабря 2015 г.
- ^ Хван, Филсанг; Чжоу, Ши-Вэй; Чен, Цзунвэй; Макдермотт, Брайан М. (17 ноября 2015 г.). «Стереоцилиарный паракристалл представляет собой динамический цитоскелетный каркас in vivo» . Отчеты по ячейкам . 13 (7): 1287–1294. дои : 10.1016/j.celrep.2015.10.003 . ISSN 2211-1247 . ПМЦ 4654971 . ПМИД 26549442 .