Исследование находит способ обратить вспять замалчивание генов в клетках внутреннего уха

Оглохший взрослый человек не может восстановить способность слышать, потому что сенсорные слуховые клетки внутреннего уха не восстанавливаются после повреждения. В двух новых исследованиях, частично финансируемых Национальным институтом здравоохранения и опубликованных в журнале Proceedings of the National Academy of the Sciences (PNAS), ученые USC Stem Cell объясняют, почему это так и как мы можем это изменить.

В несенсорных поддерживающих клетках внутреннего уха ключевые гены, необходимые для преобразования в сенсорные клетки, отключаются посредством процесса, известного как «эпигенетическое молчание». Изучая, как отключаются гены, мы начинаем понимать, как мы можем снова включить их для восстановления слуха».

Джон Дюк Нгуен, первый автор одной из статей

Сейчас Нгуен работает в биотехнологической компании Genentech и получил докторскую степень в лаборатории стволовых клеток USC Нила Сегила, скончавшегося от рака поджелудочной железы в 2022 году.

Во второй статье исследуется, когда и как во внутреннем ухе приобретается способность формировать сенсорные слуховые клетки, и описываются два конкретных гена, которые могут быть полезны для восстановления слуха у взрослых.

«Мы сосредоточились на генах Сокс4 и Сокс11 потому что мы обнаружили, что они необходимы для формирования сенсорных слуховых клеток во время развития», — сказала первый автор статьи Эмили Сизи Ван, которая также проводила свои исследования в качестве аспиранта в лаборатории Сегила и работает в биотехнологической компании Atara Biotherapys.

Гейдж Крамп, соавтор обеих статей и временно исполняющий обязанности заведующего кафедрой биологии стволовых клеток и регенеративной медицины в Медицинской школе им. Непреходящее наследие Нила Сегила как выдающегося наставника следующего поколения исследователей стволовых клеток».

Молчание не золото

Одним из важных способов отключения или «молчания» генов являются химические соединения, называемые метильными группами, которые связываются с ДНК и делают ее недоступной, что является предметом исследования Нгуена. Когда ДНК, которая инструктирует клетку стать сенсорной слуховой клеткой, метилирована, клетка не может получить доступ к этим инструкциям.

В своих экспериментах с несенсорными поддерживающими клетками, извлеченными из внутреннего уха мышей, Нгуен и его коллеги подтвердили, что метилирование ДНК подавляет гены, которые способствуют превращению в сенсорные слуховые клетки, включая ген Atoh1 известно, что он является основным регулятором развития внутреннего уха.

Фермент под названием TET может удалять метильные группы из ДНК, тем самым обращая вспять замалчивание генов и восстанавливая способность поддерживающих клеток превращаться в сенсорные волосковые клетки. Соответственно, когда ученые заблокировали активность ТЕТ, поддерживающие клетки сохранили метилирование своей ДНК и, следовательно, не могли превратиться в сенсорные волосковые клетки в чашке Петри.

Интересно, что в отдельном эксперименте исследователи проверили степень подавления генов в поддерживающих клетках хронически оглохшей мыши. Они обнаружили, что замалчивание генов было частично обращено вспять, а это означает, что поддерживающие клетки обладают способностью реагировать на сигналы и превращаться в сенсорные слуховые клетки. Это открытие имеет важное значение: потеря сенсорных слуховых клеток сама по себе может частично обратить вспять замалчивание генов в поддерживающих клетках у хронически глухих людей. Если это так, поддерживающие клетки хронически глухих людей уже могут быть естественным образом подготовлены к превращению в сенсорные слуховые клетки.

Давний соратник Сегила Эндрю К. Гроувс из Медицинского колледжа Бэйлора был соответствующим автором статьи.

Нокаутировать их Sox

Во второй статье Ван и ее коллеги исследовали, когда и как клетки-предшественники внутреннего уха приобретают способность формировать сенсорные слуховые клетки.

Ученые точно определили, когда клетки-предшественники приобретают эту способность: между 12 и 13,5 днями эмбрионального развития у мышей. В течение этого окна клетки-предшественники приобретают способность реагировать на сигналы главного гена-регулятора. Atoh1 это запускает формирование сенсорных слуховых клеток на более позднем этапе развития.

Что побуждает клетки-предшественники реагировать на Atoh1 два дополнительных гена, Сокс4 и Сокс11которые изменяют состояние этих клеток.

У эмбрионов мышей отсутствует Сокс4 и Сокс11клетки-предшественники во внутреннем ухе не смогли развиться в сенсорные слуховые клетки. В частности, потеря Сокс4 и Сокс11 сделал клеточную ДНК недоступной — эффект, аналогичный метилированию ДНК. Поскольку их ДНК была недоступна, клетки-предшественники не могли реагировать на сигналы от Atoh1.

С другой стороны, высокий уровень Сокс4 и Сокс11 активность стимулировали мышиные клетки-предшественники и поддерживающие клетки для формирования сенсорных слуховых клеток в чашке Петри.

Что еще более многообещающе, у мышей с поврежденными сенсорными клетками во внутреннем ухе высокие уровни активности Sox4 и Sox11 увеличивали процент вестибулярных поддерживающих клеток, которые превращались в сенсорные рецепторные клетки, с 6 до 40 процентов.

«Мы рады продолжить изучение механизмов, с помощью которых клетки внутреннего уха приобретают способность дифференцироваться в сенсорные клетки во время развития, и как их можно использовать для восстановления сенсорных слуховых клеток в зрелом внутреннем ухе», — сказал исследователь. корреспондент статьи Ксения Гнедева, которая закончила постдокторское обучение в лаборатории Segil Lab и в настоящее время является доцентом кафедры отоларингологии им. Тины и Рика Карузо – хирургии головы и шеи, а также кафедры биологии стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Южной Калифорнии.

Об исследованиях

Хуан Ламас из лаборатории Segil и Туо Ши из лаборатории Crump являются соавторами обоих исследований. Дополнительные соавторы статьи Вана и Гнедевы включают Тэлона Тречека, Литао Тао и Велли Макмуру из лаборатории Segil.

Оба исследования были поддержаны Национальными институтами здравоохранения (грант NIH RO1 DC015829), а также наградой Консорциума по восстановлению слуха от Фонда здоровья слуха. Исследование Нгуена и Гроувза получило поддержку трех дополнительных грантов NIH (F31 DC018703, T32 HD060549 и RO1 DC014832), а исследование Вана и Гнедевы получило поддержку двух дополнительных грантов NIH (R21 DC016984 и T32DC009975).