Ogłuchły dorosły nie może odzyskać zdolności słyszenia, ponieważ czuciowe komórki słuchowe ucha wewnętrznego nie regenerują się po uszkodzeniu. W dwóch nowych badaniach, częściowo finansowanych przez National Institutes of Health i opublikowanych w Proceedings of the National Academy of the Sciences (PNAS), naukowcy z USC Stem Cell wyjaśniają, dlaczego tak jest i jak możemy to zmienić.
„W niesensorycznych komórkach podtrzymujących ucha wewnętrznego kluczowe geny wymagane do konwersji do komórek czuciowych są wyłączane w procesie znanym jako„ wyciszanie epigenetyczne ”. Badając, w jaki sposób geny są wyłączane, zaczynamy rozumieć, jak możemy je ponownie włączyć, aby zregenerować słuch” – powiedział John Duc Nguyen, pierwszy autor jednego z artykułów. Nguyen pracuje obecnie w firmie biotechnologicznej Genentech i uzyskał doktorat w laboratorium komórek macierzystych USC Neila Segila, który zmarł na raka trzustki w 2022 roku.
W drugim artykule zbadano, kiedy i w jaki sposób zdolność do tworzenia czuciowych komórek słuchowych jest nabywana w uchu wewnętrznym i opisano dwa specyficzne geny, które mogą być przydatne do regeneracji słuchu u dorosłych.
„Skupiliśmy się na genach Sox4 i Sox11, ponieważ odkryliśmy, że są one niezbędne do tworzenia czuciowych komórek słuchowych podczas rozwoju” – powiedziała pierwsza autorka artykułu, Emily Xizi Wang, która również prowadziła swoje badania jako doktorantka w Segil Lab i pracuje w firma biotechnologiczna Atara Biotherapeutics.
Gage Crump, współautor obu artykułów i tymczasowy przewodniczący Wydziału Biologii Komórek Macierzystych i Medycyny Regeneracyjnej USC w Keck School of Medicine w USC, dodał: „Te dwa artykuły są nie tylko wspaniałą nauką, ale także wyraźnym przykładem trwałej spuścizny Neila Segila jako wyjątkowego mentora dla następnego pokolenia badaczy komórek macierzystych”.
Uciszenie nie jest złotem
Jednym z ważnych sposobów, w jaki geny są wyłączane lub “wyciszane”, są związki chemiczne zwane grupami metylowymi, które wiążą się z DNA i czynią je niedostępnymi – temat artykułu Nguyena. Kiedy DNA, które instruuje komórkę, aby stała się czuciową komórką słuchową, jest metylowane, komórka nie może uzyskać dostępu do tych instrukcji.
Poprzez swoje eksperymenty z nieczuciowymi komórkami wspomagającymi wyekstrahowanymi z ucha wewnętrznego myszy, Nguyen i jego współpracownicy potwierdzili, że metylacja DNA wycisza geny promujące konwersję do czuciowych komórek słuchowych, w tym gen Atoh1, o którym wiadomo, że jest głównym regulatorem ucha wewnętrznego rozwój.
Enzym zwany TET może usuwać grupy metylowe z DNA, odwracając w ten sposób wyciszanie genów i przywracając zdolność komórek podporowych do przekształcania się w czuciowe komórki rzęsate. W związku z tym, kiedy naukowcy zablokowali aktywność TET, komórki podtrzymujące zachowały swoją metylację DNA i dlatego nie mogły przekształcić się w czuciowe komórki rzęsate na płytce Petriego.
Co ciekawe, w osobnym eksperymencie naukowcy przetestowali zakres wyciszania genów w komórkach podtrzymujących chronicznie ogłuszonej myszy. Odkryli, że wyciszanie genów zostało częściowo odwrócone, co oznacza, że komórki podtrzymujące miały zdolność reagowania na sygnały w celu przekształcenia się w czuciowe komórki słuchowe. To odkrycie ma ważne implikacje: sama utrata czuciowych komórek słuchowych może częściowo odwrócić wyciszanie genów w komórkach podtrzymujących u osób przewlekle głuchych. Jeśli tak, komórki podtrzymujące osób przewlekle głuchych mogą być już naturalnie przygotowane do przekształcenia się w czuciowe komórki słuchowe.
Wieloletni współpracownik Segila, Andrew K. Groves z Baylor College of Medicine, był autorem korespondencyjnym artykułu.
Znokautowanie ich Soxów
W drugim artykule Wang i jej współpracownicy zbadali, kiedy iw jaki sposób komórki progenitorowe ucha wewnętrznego uzyskują zdolność do tworzenia czuciowych komórek słuchowych.
Naukowcy ustalili, kiedy komórki progenitorowe nabywają tę zdolność: między 12. a 13.5. dniem rozwoju embrionalnego u myszy. W tym oknie komórki progenitorowe nabywają zdolność reagowania na sygnały z genu głównego regulatora Atoh1, który wyzwala tworzenie czuciowych komórek słuchowych w późniejszym okresie rozwoju.
To, co przygotowuje komórki progenitorowe do odpowiedzi na Atoh1, to dwa dodatkowe geny, Sox4 i Sox11, które zmieniają stan tych komórek.
U myszy embrionalnych pozbawionych Sox4 i Sox11 komórki progenitorowe w uchu wewnętrznym nie rozwinęły się w czuciowe komórki słuchowe. W szczególności utrata Sox4 i Sox11 sprawiła, że DNA komórek stało się niedostępne – efekt podobny do metylacji DNA. Ponieważ ich DNA było niedostępne, komórki progenitorowe nie mogły reagować na sygnały z Atoh1.
Z drugiej strony, wysoki poziom aktywności Sox4 i Sox11 stymulował mysie komórki progenitorowe i komórki podtrzymujące, tworząc czuciowe komórki słuchowe na płytce Petriego.
Co jeszcze bardziej obiecujące, u myszy z uszkodzonymi komórkami czuciowymi w uchu wewnętrznym wysoki poziom aktywności Sox4 i Sox11 zwiększył odsetek przedsionkowych komórek podtrzymujących, które przekształciły się w komórki receptorowe czuciowe – z 6 procent do 40 procent.
„Jesteśmy podekscytowani dalszym badaniem mechanizmów, dzięki którym komórki w uchu wewnętrznym uzyskują zdolność do różnicowania się jako komórki czuciowe podczas rozwoju oraz w jaki sposób można je wykorzystać do promowania regeneracji czuciowych komórek słuchowych w dojrzałym uchu wewnętrznym” – powiedział naukowiec. autorka artykułu Ksenia Gnedeva, która ukończyła szkolenie podoktoranckie w Segil Lab i jest obecnie adiunktem na Wydziale Otolaryngologii USC Tina i Rick Caruso – Chirurgia Głowy i Szyi oraz na Wydziale Biologii Komórek Macierzystych i Medycyny Regeneracyjnej.
O studiach
Współautorami obu badań są Juan Llamas z laboratorium Segil i Tuo Shi z laboratorium Crump. W przypadku artykułu Wanga i Gnedevy, dodatkowymi współautorami są Talon Trecek, Litao Tao i Welly Makmura z laboratorium Segil.
Oba badania były wspierane przez National Institutes of Health (grant NIH RO1 DC015829), a także nagrodę Hearing Restoration Project Consortium od Hearing Health Foundation. Badanie Nguyena i Grovesa otrzymało wsparcie z trzech dodatkowych grantów NIH (F31 DC018703, T32 HD060549 i RO1 DC014832), a badanie Wanga i Gnedevy otrzymało wsparcie z dwóch dodatkowych grantów NIH (R21 DC016984 i T32DC009975).