Возможности регенерации слуха

Ряды сенсорных слуховых клеток (зеленые) рядом с опорными клетками (красные) во внутреннем ухе мыши. Фото: Джон Дык Нгуен и Хуан Льямас/Лаборатория Сегила.

Глухой взрослый человек не может восстановить слух, поскольку сенсорные клетки внутреннего уха, будучи поврежденными, не восстанавливаются. В недавнем исследовании, частично финансируемом Национальными институтами здравоохранения и опубликованном в Трудах Национальной академии наук (PNAS), исследователи стволовых клеток Университета Южной Калифорнии углубляются в причины этого и изучают потенциальные решения.

• «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 можно снова включить их, чтобы восстановить слух», — сказал 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 исследовалось, когда и как во внутреннем ухе приобретается способность формировать сенсорные слуховые клетки, и описываются два конкретных гена, которые могут быть полезны для регенерации слуха у взрослых.

• «Мы сосредоточились на генах Sox4 и Sox11, потому что обнаружили, что они необходимы для формирования сенсорно-слуховых клеток во время развития», — сказала первый автор статьи Эмили Сизи Ванг, которая также проводила свои исследования в качестве аспиранта в лаборатории Сегила и работает в биотехнологическая компания Atara Biotherapeutics.

Гейдж Крамп, соавтор обеих статей и временный заведующий кафедрой биологии стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Южной Калифорнии в Медицинской школе Кека Университета Южной Калифорнии, добавил: «Эти две статьи являются не только великой наукой, но и ярким примером. о непреходящем наследии Нила Сегила как исключительного наставника следующего поколения исследователей стволовых клеток».

Молчание не золото

Один из важных способов отключения или «заглушения» генов включает в себя химические соединения, называемые метильными группами, которые связываются с ДНК и делают ее недоступной – этому посвящена статья Нгуена. Когда ДНК, которая инструктирует клетку стать сенсорно-слуховой клеткой, метилирована, клетка не может получить доступ к этим инструкциям.

В ходе своих экспериментов с несенсорными поддерживающими клетками, извлеченными из внутреннего уха мышей, Нгуен и его коллеги подтвердили, что метилирование ДНК подавляет гены, которые способствуют преобразованию в сенсорные клетки слуха, включая ген Atoh1, который, как известно, является главным регулятором внутреннего уха разработка.

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

Интересно, что в отдельном эксперименте исследователи проверили степень подавления генов в поддерживающих клетках хронически глухих мышей. Они обнаружили, что молчание генов было частично обращено вспять, а это означает, что поддерживающие клетки обладают способностью реагировать на сигналы и трансформироваться в сенсорные слуховые клетки. Это открытие имеет важные последствия: потеря сенсорных слуховых клеток сама по себе может частично обратить вспять молчание генов в поддерживающих клетках у хронически глухих людей. Если это так, то поддерживающие клетки хронически глухих людей уже естественным образом готовы превращаться в сенсорные слуховые клетки.

Автором-корреспондентом статьи выступил давний соратник Сегила Эндрю К. Гроувс из Медицинского колледжа Бэйлора.

Способность формировать сенсорные клетки слуха

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

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

Что заставляет клетки-предшественники реагировать на Atoh1, так это два дополнительных гена, Sox4 и Sox11, которые изменяют состояние этих клеток.

У эмбриональных мышей, лишенных Sox4 и Sox11, клетки-предшественники во внутреннем ухе не смогли развиться в сенсорные слуховые клетки.

В частности, потеря Sox4 и Sox11 сделала ДНК клеток недоступной — эффект, аналогичный метилированию ДНК. Поскольку их ДНК была недоступна, клетки-предшественники не могли реагировать на сигналы от Atoh1.

С другой стороны, высокие уровни активности Sox4 и Sox11 стимулировали клетки-предшественники и поддерживающие клетки мыши формировать сенсорные слуховые клетки в чашке Петри.

Еще более многообещающе то, что у мышей с поврежденными сенсорными клетками внутреннего уха высокие уровни активности Sox4 и Sox11 увеличили процент вестибулярных поддерживающих клеток, которые превращались в клетки сенсорных рецепторов — 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 содействия восстановлению сенсорных слуховых клеток в зрелом внутреннем ухе», — сказал исследователь автор-корреспондент статьи Ксения Гнедева, которая завершила постдокторантуру в лаборатории Сегила и в настоящее время является доцентом кафедры отоларингологии – хирургии головы и шеи и кафедры биологии стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Южной Калифорнии имени Тины и Рика Карузо.

Хуан Ламас из лаборатории Сегила и Туо Ши из лаборатории Крампа являются соавторами обоих исследований. Среди соавторов статьи Ванга и Гнедевы — Тэлон Тречек, Литао Тао и Велли Макмура из лаборатории Сегила.

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