Eine japanische Forschergruppe hat erstmals gezeigt, dass die schachbrettartige Anordnung von Zellen im Corti-Organ des Innenohrs für das Hören lebenswichtig ist. Die Entdeckung gibt neue Einblicke in die Funktionsweise des Hörens aus der Perspektive der zellulären Selbstorganisation und wird auch dazu beitragen, verschiedene Hörverlusterkrankungen besser zu verstehen.
Der Forschungsgruppe gehörten Assistenzprofessor Togashi Hideru von der Graduiertenschule für Medizin der Universität Kobe und Dr. Katsunuma Sayaka vom Kinderkrankenhaus der Präfektur Hyogo in Kobe an.
Diese Forschungsergebnisse wurden online in veröffentlicht Grenzen in der Zell- und Entwicklungsbiologie am 8. Dezember 2022.
Die Innenohr-Cochlea ist notwendig, um Geräusche zu hören, und darin befindet sich das Corti-Organ. Wenn das Corti-Organ von oben mit einem Mikroskop betrachtet wird, sind zwei Arten von Zellen zu sehen, die in einem genau geordneten Layout angeordnet sind, das einem Schach- oder Schachbrett ähnelt. Haarzellen, die Schallwellen an das Gehirn weiterleiten, sind durch Stützzellen getrennt, die verhindern, dass sich die Haarzellen berühren. Obwohl angenommen wurde, dass diese Schachbrettanordnung notwendig ist, damit das Corti-Organ richtig funktioniert, blieb die Beziehung zwischen diesem Muster und der Hörfunktion lange unklar.
Diese Forschungsgruppe hat zuvor gezeigt, dass dieses Innenohr-Schachbrett durch einen zellulären Trennungsmechanismus gebildet wird, der es den Haarzellen und Stützzellen ermöglicht, sich korrekt in Linie zu bewegen. Haarzellen und Stützzellen exprimieren jeweils einen anderen Typ des Zelladhäsionsmoleküls Nektin. Dies führt dazu, dass eine Haarzelle und eine Stützzelle stärker aneinander haften als zwei Haarzellen oder zwei Stützzellen.
Diese Eigenschaft bewirkt, dass Haarzellen und Stützzellen in einem Schachbrettmuster angeordnet sind. In einem Mausmodell, in dem eines dieser Nektinmoleküle nicht funktionsfähig ist, ändern sich die Eigenschaften und das Schachbrettmuster kann sich nicht richtig bilden. In dieser Studie untersuchten die Forscher mit diesen Mäusen den Zusammenhang zwischen der schachbrettartigen Anordnung von Zellen und der Hörfunktion.
Die Forschungsgruppe verglich normale (Kontroll-)Mäuse mit Mäusen, bei denen eine Art von Nectin nicht richtig funktionierte (Nectin-3-KO-Maus, im Folgenden als Nectin-KO-Maus bezeichnet). Zwischen den Mäusen wurde kein Unterschied in der Anzahl der Haarzellen und Stützzellen im Corti-Organ unmittelbar nach der Geburt beobachtet. Es gab jedoch einen Unterschied darin, wie leicht die beiden Zelltypen aneinander haften; in den Nectin-3-KO-Mäusen haften die Haarzellen aneinander (was normalerweise nicht vorkommt), was zu Anomalien im Schachbrettmuster führt.
An diesem Punkt stellten die Forscher die Hypothese auf, dass das Testen des Gehörs dieser Mäuse die Beziehung zwischen dem Gehör und dem Schachbrettmuster aufdecken könnte. Sie maßen das Gehör von über einen Monat alten Nectin-KO-Mäusen mit der Methode der auditiven Hirnstammreaktion (ABR). Dieser Test ergab, dass die Nectin-KO-Mäuse mäßig taub waren, was zeigt, dass dieser Hörverlust durch die Anomalien im Innenohr verursacht wurde.
Die Forscher untersuchten dann die Corti-Organe der Nectin-KO-Mäuse, die sich dem ABR-Test unterzogen, und stellten fest, dass die Anzahl der Haarzellen um etwa die Hälfte abgenommen hatte. Als nächstes machten sie sich daran, herauszufinden, warum nur die Haarzellen (und nicht die Stützzellen) verschwunden waren. Sie entdeckten, dass die Apoptose der Haarzellen nach einem Alter von zwei Wochen auftrat. Darüber hinaus ergab die Untersuchung der Apoptosespuren, dass es in vielen Zellen, die aneinander adhäriert waren, zum Zelltod kam. Dies veranlasste die Forscher zu der Vermutung, dass die aneinander haftenden Haarzellen (was normalerweise nicht vorkommt) die Apoptose verursachten.
Im Epithelgewebe, zu dem auch das Corti-Organ gehört, gibt es enge Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen. Diese Tight Junctions verbinden nicht nur die Zellen, sie verhindern auch, dass verschiedene Moleküle (einschließlich Ionen) zwischen den Zellen passieren. Wenn das Corti-Organ diese Tight Junctions nicht hat, können Haarzellen nicht richtig funktionieren, Zellen sterben ab und es kommt zu Hörverlust. Bei Nectin-KO-Mäusen wurden Tight Junctions an den Stellen, an denen Haarzellen aneinander haften, nicht richtig gebildet.
Es bildeten sich jedoch korrekte Tight Junctions zwischen Haarzellen und Stützzellen. Solange zwei Haarzellen nicht miteinander verklebt waren, blieb die normale Zellfunktion erhalten. Mit anderen Worten, Haarzellen-Apoptose wurde nur an den Stellen induziert, an denen Haarzellen abnormal aneinander adhäriert waren und sich Tight Junctions nicht korrekt gebildet hatten. Diese Ergebnisse zeigten zum ersten Mal, dass das im Corti-Organ gefundene Schachbrettmuster von Haarzellen und Stützzellen als grundlegende Struktur fungiert, die Haarzellen und ihre Funktionalität schützt, indem sie verhindert, dass Haarzellen aneinander haften.
Nectin ist das ursächliche Gen für die ektodermale Dysplasie auf der Insel Margarita. Neben einer Lippen-Kiefer-Gaumenspalte und geistiger Behinderung wurde in einigen Fällen dieser genetischen Störung auch über Taubheit berichtet. Daher könnten die Ergebnisse der aktuellen Studie eine neue Erklärung für einige Fälle von Taubheit liefern, bei denen die Ursache unklar ist.
Diese Studie konzentrierte sich auf das Hören und demonstrierte die physiologische Bedeutung des schachbrettartigen Mosaikmusters von Zellen im Corti-Organ. Aber auch andere Sinneszellen, die auf äußere Reize reagieren, und ihre jeweiligen Unterstützerzellen sind in der gleichen Art von alternierendem Mosaikmuster angeordnet. Diese Mosaikmuster finden sich in Sinnesorganen, wie dem olfaktorischen Epithel, das für den Geruchssinn zuständig ist, und der Netzhaut, die für das Sehen zuständig ist.
Die Tatsache, dass diese Mosaikmuster nicht nur bei Säugetieren, sondern auch bei einer Vielzahl anderer Organismen zu finden sind, legt nahe, dass sie funktionell wichtig sind. Die Mosaikmuster in Sinnesgeweben entstehen durch Selbstorganisation aufgrund der Unterschiede in der Haftfähigkeit zwischen Zellen. Daher wird die Fokussierung der Forschung auf die zelluläre Selbstorganisation in Sinnesorganen unser Wissen über die Funktionen von Sinnesorganen erweitern und unser Verständnis verschiedener verwandter Krankheiten verbessern.
Mehr Informationen:
Sayaka Katsunuma et al, Hörverlust bei Mäusen mit Störung der auditiven Epithelmusterung in der Cochlea, Grenzen in der Zell- und Entwicklungsbiologie (2022). DOI: 10.3389/fcell.2022.1073830