Mechanizm słuchu wreszcie rozszyfrowany

Uczymy się w szkole o uchu i słyszeniu, ale do dziś nieznany był mechanizm molekularny stojący za tym powszechnym dla ssaków zjawiskiem. Został on właśnie rozszyfrowany, co zagwarantowało publikację w „Nature”, a może kiedyś da Nagrodę Nobla, jak rozszyfrowanie funkcjonowania każdego z pozostałych naszych zmysłów.

Za wstęp niech posłuży następujące podsumowanie: Allvar Gullstrand otrzymał Nobla za całokształt prac nad dioptryką oka w 1911 r., Ragnar Granit, Haldan Hartline i George Wald – za odkrycie podstawowych procesów fizjologicznych i chemicznych zachodzących w mózgu i oku podczas widzenia w 1967 r., a David Hubel i Torsten Wiesel w 1981 r. – za odkrycie, jak funkcjonuje obróbka informacji w systemie widzenia.

W 2004 r. Zgromadzenie Noblowskie w Karolinska Institutet uhonorowało Richarda Axela i Lindę Buck za to, że w serii pionierskich badań wyjaśnili szczegółowo molekularnie, jak działa nasz zmysł węchu. Dwa lata temu David Julius i Ardem Patapoutian podzielili Nobla za pracę nad molekularnym działaniem zmysłu dotyku i odczuwania gorąca.

Także opisanie pracy wewnętrznego narządu słuchu, tzw. ślimaka (to właśnie tego uczą nas w szkole) nagrodzono Noblem w 1961 r. Georga von Békésy’ego „za odkrycie fizycznych mechanizmów stymulacji w ślimaku”. Nie zdziwię się zatem wcale, gdy za jakieś 10 lat Amerykanin Eric Gouaux z Howard Hughes Medical Institute w Oregon Health and Science University w Portland otrzyma telefon z Solna pod Sztokholmem o jakiejś 3 nad ranem swojego czasu.

Kierowany przez niego zespół bowiem, jak sam wyjaśnia na łamach najnowszego „Nature”, rozpoznał i zrozumiał strukturę oraz działanie tzw. kompleksu mechanoczułego. Rzecz jest nieprosta, dlatego tak długo trwało jej ustalenie.

Najprościej jednak rzecz ujmując chodzi o to, że dźwięk to fala akustyczna co do swej częstości znajdująca się w zakresie odbioru ludzkiego słuchu, rozchodząca się w powietrzu. O tym, jaka to fala, jak się rozchodzi i w czym, co to tony, harmonie etc., napisano całe tomy i rzecz jest nieźle rozpoznana przez fizykę, bo badana od czasów Pitagorasa.

Co się dzieje w uchu zewnętrznym (działa jak tuba) i środkowym (fala dźwiękowa uderza w błonę bębenkową, potem młoteczek, strzemiączko, kowadełko i już… jesteśmy w uchu wewnętrznym), też było jasne – zatem uczą tego w szkole. Z drugiej strony, co się dzieje w nerwie słuchowym i następnie w mózgu pod wpływem odbioru fali akustycznej powstaje dźwięk (czyli wrażenie) wiadomo też tak dokładnie, że jest dość jasne, jak skomponować muzykę, która będzie się podobać większości ludzi (i jest oczywiste, że show-business korzysta z tej wiedzy, a artyści prezentujący swe utwory na Warszawskiej Jesieni – niekoniecznie).

Udało się też ustalić od końca XIX w. do ostatnich lat na coraz większym poziomie szczegółu i pewności, co się dzieje wewnątrz parzystej anatomicznej struktury ukrytej w naszej głowie i wypełnionej płynem – limfą przypominającą składem płyn mózgowo-rdzeniowy, zwanej ślimakiem, gdzie znajduje się m. in. narząd słuchu, tzw. narząd Cortiego. Odpowiedzialne za odbiór stymulacji fizycznej i przekazanie jej do mózgu komórki zmysłowe, zwane rzęsatymi, zostały rozpoznane w strukturze narządu Cortiego i było jasne, że bardzo istotna dla ich działania jest ich prawidłowa pozycja, którą zapewniają m.in. liczne komórki podporowe.

Nadal jednak nie było jasne, jak to się dzieje, że fala dźwiękowa (zjawisko czysto fizyczne, wibracja) jest zmieniana (transfromowana i przekazywana) w prąd elektryczny – który stanowi przekaźnik informacji w układzie nerwowym. W Portland w Oregonie udało się wyjaśnić właśnie tę podstawową sprawę. Wiemy, jak to działa dla fali świetlnej w siatkówce oka, ale dla komórek rzęsatych i fali dźwiękowej dowiedzieliśmy się teraz.

Od dziesięcioleci poszukiwano, jak działa ta molekularna maszyna. Grupa, która ostatecznie opublikowała swoje wyniki w prestiżowym czasopismie, pracowała nad tym problemem od wielu lat.

Strukturę kompleksu białkowego , który uczestniczy w transdukcji fali dzwiękowej w prąd elektryczny poznano za pomocą mikroskopii krioelektronowej. A teraz największa niespodzianka: rzecz całą opisano dla nicienia Caenorhabditis elehans, a nie dla myszy. Nicień to doskonały model i pisałam to na tych łamach wielokrotnie.

Nicień okazał się mieć mechanosensory wystarczająco podobne strukturalnie do tych w narządzie Cortiego, a łatwo nim genetycznie manipulować, izolować z niego białka, jest zaś zasadniczo przejrzysty, więc wszelkie techniki mikroskopowe nie wymagają ani „bolesnych” (dla operatora) działań sekcyjnych, ani skomplikowanych i trudnych do wykonania barwień. Naukowcy, jak zwykle wierzą, że gdy w detalach zrozumieją strukturę nieco prostszą, część wyników da się bezpośrednio zastosować do opisania tej nieco bardziej skomplikowanej.

Pięć lat badań, 60 mln robaków i udało się ustalić, że dla przetłumaczenia „fali mechanicznej” na prąd elektryczny najistotniejsze są oddziaływania lipidowo-białkowe w błonie komórkowej komórek rzęsatych i komórek nicienia. Ta transdukcja „fali mechanicznej”odbywa się przy udziale tzw. kanałów mechanoczułych. To białka błonowe, które otwierają się, by selektywnie przepuszczać prąd jonowy w poprzek błony pod wpływem stymulacji mechanicznej.

Dlatego innego typu kanały mechanoczułe są ważne również w nagrodzonych Noblem dwa lata temu receptorach dotykowych w skórze. Wprawdzie w narządzie Cortiego nie mamy mechanicznego nacisku na receptor, tylko znacznie delikatniejszą stymulację, a jednak ich czułość jest wielka właśnie dzięki strukturze całego nowopoznanego kompleksu białkowego.

W szczegółach opisanych przez autorów badania: „Podwójny symetryczny kompleks składa się z dwóch kopii białka TMC-1 tworzącego por kanału przez który przepływają jony , białka CALM-1 wiążącego wapń i przezbłonowego białka ucha wewnętrznego TMIE. Białko CALM-1 nawiązuje rozległe kontakty z cytoplazmatyczną powierzchnią podjednostek TMC-1, podczas gdy podjednostki TMIE znajdują się na obrzeżach kompleksu, ułożone jak rączki akordeonu. Kilka kompleksów jest związanych pojedynczym białkiem podobnym sekwencyjnie do arestyny (ARRD-6), związane z podjednostką CALM-1”.

Oczywiście dla nas, prostych zjadaczy chleba, tak dokładny opis wydaje się zbędny, ale dla osób z wrodzonym uszkodzeniem słuchu wynikłym z mutacji tworzących ów kompleks białek zaświtała jutrzenka nadziei. Skoro rozumiemy, jak mechanizm działa, zastąpienie jednego „kółka zębatego” przez inne, wystarczająco podobne, jest jakimś pomysłem na naprawę uszkodzonego słuchu. Co więcej, także w przypadku mechanicznych, związanych np. z narażeniem na hałas uszkodzeń słuchu dziś poznany kompleks może mieć znaczenie zarówno dla diagnostyki molekularnej owych uszkodzeń, jak i ich potencjalnej naprawy w przyszłości – tak przynajmniej twierdzą autorzy badania.

Kanały mechanoczułe to ponadto fascynujące białka, występujące u wielu typów komórek wszystkich organizmów rozsianych na drzewie życia. Poprosiłam specjalistę od ich budowy i funkcji, dr. hab. Piotra Koprowskiego z Pracowni Wewnątrzkomórkowych Kanałów Jonowych Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN im. Nenckiego w Warszawie o kilka zdań komentarza na ich temat.

Dr Koprowski wyjaśnił, że w każdej komórce jest szereg typów kanałów jonowych i ich aktywność może być regulowana przez chociażby wiązanie określonych cząsteczek, np. neuroprzekaźników; przez elektryczne napięcie błonowe, jak w przypadku kanałow napięciowozależnych, i przez bodźce mechaniczne, jak w przypadku kanałów mechanoczułych.

Zadziwiające było odkrycie, że kanały mechanoczułe występują u tak prostych organizmów jak jednokomórkowe bakterie. Co więcej, są one niezbędne bakteriom, aby mogły przeżyć w zmiennym osmotycznie środowisku. Obecnie trwają badania nad wykorzystaniem kanałow mechanoczułych u bakterii jako celów dla nowych antybiotyków.

„Kanały mechanoczułe to także odbieranie bodźców mechanicznych i zamykanie liści mimozy czy „pułapki na owady” rośliny muchołówki. U zwierząt, w tym człowieka, to między innymi regulacja objętości komórek, odbiór bodźców mechanicznych, takich jak dotyk, czy słuch.

W pewien sposób kanały mechanoczułe są wyjątkowe ze względu na swoją heterogenność. Do tej pory poznano struktury siedmiu kanałów mechanoczułych i każda z nich jest kompletnie inna i tak też jest w przypadku kompleksu kanału mechanoczułego z ucha wewnętrznego” – dodał specjalista z Instytutu im. Nenckiego.

Uszkodzenia słuchu i niedosłyszenie to dziś epidemia. Odkrycia mogą wskazać drogę do opracowania nowych metod leczenia wad słuchu, które dotykają ponad 460 mln ludzi na całym świecie.

Jak powiedziałam na początku, percepcja zmysłowa i struktura zmysłów – tych narządów peryferycznych ośrodkowego układu nerwowego, dzięki którym wie, co się w okół dzieje i może pokierować reakcją – to tematy tak ważne, że zasadniczo nie ma szansy, aby dzisiejsze osiągnięcie uczonych z Portland nie zostało zwieńczone najwyższymi naukowymi honorami. Całkowicie zasłużenie.

#słuch # badania #mechanizm #nagroda nobla #nature