Náš sluch je založen na organizovaném seskupení proteinů

Vědcům z kampusu Göttingen v Německu se poprvé podařilo prozkoumat drobné synapse ve vnitřním uchu – body kontaktu mezi vláskovými buňkami a buňkami sluchového nervu – na molekulární úrovni. Byli schopni ukázat, že iontové kanály a další synaptické proteiny nezbytné pro sluch jsou organizovány ve specifických vzorcích. Toto uspořádání zajišťuje optimalizovaný přenos sluchových informací do mozku.

Tyto poznatky by mohly přispět k vývoji terapií sluchových poruch se synaptickými příčinami. Výsledky byly zveřejněno v deníku Vědecké pokroky.

Sluch je založen na přeměně zvuku na nervové signály. Zvukem vyvolané vibrace se převádějí na nervové vzruchy ve vnitřním uchu, které se přenášejí do mozku přes sluchový nerv a interpretovány tam jako zvuky, řeč nebo tóny. Ústředním centrem tohoto procesu jsou synapse – body kontaktu mezi vláskovými buňkami a buňkami sluchového nervu.

Když jsou vláskové buňky stimulovány zvukem, vápníkové kanály v buněčná membrána Otevře se a dovnitř proudí vápník. To vede k uvolnění přenašečové látky, která aktivuje receptory na protilehlých buňkách sluchového nervu a vytváří nervový impuls.

Vědcům v Göttingenu pod vedením University Medical Center Göttingen (UMG) se poprvé podařilo prozkoumat drobnou strukturu synapsí ve vnitřních vlasových buňkách. Pomocí trojrozměrné (3D) nanoskopie MINFLUX vyvinuté prof. Dr. Stefanem Hellem a kolegy z kampusu v Göttingenu bylo možné zviditelnit detaily v rozsahu několika nanometrů, tj. miliontin milimetru.

Díky optimalizaci přípravy vzorků byli vědci schopni pomocí této metody ukázat, že vápníkové kanály a určité strukturální proteiny v vlasové buňky organizovat se do malých skupin. Tyto skupiny, známé také jako nanoklastry, jsou uspořádány ve formě pruhů. Látka messenger je uložena v malých membránových vezikulách, které vědci dokázali poprvé vizualizovat na synapsi pomocí MINFLUX.

Po uvolnění do mezery mezi vláskovou buňkou a buňkou sluchového nervu se látka posla naváže na receptory protilehlé buňky sluchového nervu, které jsou uspořádány do tvaru prstence. Tento prstencový útvar zjevně umožňuje optimální detekci uvolněné mediátorové látky. Pomocí biofyzikálních simulací byli vědci schopni prokázat, že toto uspořádání nanoklastrů umožňuje vysoce účinné uvolňování mediátorových látek.

„Organizované uspořádání vápníkových kanálů zvyšuje pravděpodobnost uvolnění neurotransmiterů. Tyto nanoklastry nám zjevně umožňují vnímat zvuky přesně a rychle,“ říká prof. Dr. Tobias Moser. „Tato práce poskytuje chybějící molekulární mapu synapse vlasových buněk a vysvětluje, proč řídí náš nejrychlejší a nejpřesnější smyslový systém.“

Prof. Moser je ředitelem Institutu pro sluchovou neurovědu na UMG, mluvčím Cluster of Excellence „Multiscale Bioimaging: From Molecular Machines to Networks of Excitable Cells“ (MBExC) a mluvčím Collaborative Research Center 1690 „Mechanismy onemocnění a funkční a motorický systém senzorických funkcí.“

Spolupráce probíhala v Multiscale Bioimaging Cluster of Excellence spolu s Göttingen Campus Institute for Dynamics of Biological Networks na univerzitě v Göttingenu, Max Planck Institute (MPI) pro dynamiku a sebeorganizaci, MPI pro multidisciplinární vědy a společností Abberior Instruments se sídlem v Göttingenu.

Obrázky s vysokým rozlišením v rozsahu nanometrů s 3D nanoskopií MINFLUX

3D nanoskopie MINFLUX kombinuje molekulární specifičnost světelné mikroskopie s rozlišením blízkým elektronové mikroskopii. Vědci vytvořili metodu, jak zpřístupnit kochleu pro 3D nanoskopii MINFLUX.

„S novou přípravou vzorků jsme byli schopni použít MINFLUX k vizualizaci architektury synapse vláskových buněk v bezprecedentních detailech – až po jednotlivé proteiny a jejich nanoklastry: metodologický průlom ve výzkumu sluchu,“ říká Rohan Kapoor, první autor studie a bývalý postdoktorandský výzkumný pracovník v Institutu pro sluchovou neurovědu na UMG.