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全耳:哺乳动物内耳进化的遗传基础

发布时间:2019-06-03 15:53:49 来源:

哺乳动物已经适应生活在最黑暗的洞穴和最深的海洋中,从最高的山脉到平原。在此过程中,从蝙蝠的高频回声定位到低频鲸鱼歌曲,哺乳动物的听觉感受也非常显着。即使我们最好的朋友伴侣动物,狗,也已经发展出两倍于人的听觉范围。

假设这些适应性具有根本原因,由阿根廷布宜诺斯艾利斯国家科学技术研究委员会(CONICET)的Lucia Franchini领导的科学家小组已经确定了确定进化基础的遗传基础的目标。哺乳动物的内耳。他们的最新发现强调了他们的方法的前景,该方法确定了两个涉及听力的新基因。该研究发表在分子生物学和进化学的高级在线版上。

“这篇论文建立在这样一个前提下,即哺乳动物内耳听觉相关新奇的进化应该留下可发现的自适应分子标记痕迹,”Franchini说。“这项工作突出了进化研究对于确定新的关键功能基因的有用性。”

不同哺乳动物物种的听觉基本过程是相同的。哺乳动物的听觉系统的特征在于由三个小骨(砧骨(铁砧),锤骨(锤)和镫骨(镫骨)组成的中耳,其将声音漏到内耳。

Franchini的小组专注于内耳,它将声音强度的变化转化为大脑可以处理的电信号。在内耳内是蜗牛形耳蜗,其将声波转换成神经冲动,包括具有两种类型的专用感觉毛细胞(HC),内部(IHCs)和外毛细胞(OHC)的Corti听觉器官。

“在哺乳动物的耳蜗中,IHC和OHC显示出明显的分工,”Franchini解释说。“IHC接收和传递声音信息表现为真正的感觉细胞,而OHC则放大声音信息。因此,作为主要传感器的IHCs释放谷氨酸以激发耳蜗神经的感觉纤维,OHCs充当生物电动机以放大感觉上皮的运动。“

在他们的研究中,他们使用双管齐下的方法,补充计算机基因与后续实验研究的比较,以更全面地了解哺乳动物内耳适应背后的遗传线路。

“哺乳动物内耳的这些功能和形态学创新有助于其独特的听觉能力,”主要作者Lucia Franchini说。然而,人们对这种哺乳动物地标演变的基因遗传基础知之甚少。我们提出,哺乳动物内耳中形态学和功能创新的出现可能是由适应性分子进化驱动的。“

首先,他们利用广泛的基因表达数据库对1,300个基因进行基于软件或计算机的比较研究,以确定可能已被积极选择的基因,以帮助哺乳动物适应进化时间。总的来说,他们发现可能已经选择适应的13%或165个内耳基因。

“这项分析表明IHC和OHCs都经历了相似水平的基因适应性进化,可能是形态和功能重塑的基础,这两种细胞类型都在哺乳动物血统中进行,”Franchini说。

“值得注意的是,我们发现分析阳性选择基因的功能类别是最丰富的功能术语是'细胞骨架蛋白结合'和'细胞骨架的结构成分'。这些发现表明经过正选择的OHC基因可能有助于获得这些细胞中存在的高度专业化的细胞骨架构成了其独特的功能特性,包括体细胞电动力。“

接下来,他们通过一系列小鼠研究实验测试了听觉基因功能。其中,他们关注两个以前未知的内耳基因:STRIP2(来自Striatin相互作用蛋白2)和ABLIM2(肌动蛋白结合LIM结构域2),其功能特征在于通过使用CRISPR / Cas9技术产生新的突变小鼠品系。在每种情况下,他们使用CRISPR来关闭部分正常基因功能,以了解它如何影响听力遗传电路。

“我们通过两种互补技术对Strip2和Ablim2新生成的突变小鼠进行了听觉功能研究,这两种技术可以对整个耳蜗进行OHC与IHC /神经元功能障碍的鉴别诊断,”Franchini说。“为了评估听力系统的完整性,我们记录了ABR(听觉脑干反应),它们是由上行听觉通路中神经元电路产生的声音诱发电位。我们还通过畸变产物耳声发射(DPOAE)测试来评估OHCs的功能。”

他们发现Strip2可能在IHC和神经纤维之间的第一个突触中起作用。此外,当他们在耳蜗感觉上皮细胞时,他们发现听觉 - 神经突触显着减少。相反,Ablim2的突变研究表明Ablim2的缺失不影响耳蜗扩增或听神经功能。

“总之,通过这种进化方法,我们发现STRIP2在哺乳动物谱系中经历了强烈的阳性选择,并在内耳的生理学中起着重要作用,”Franchini说。“此外,我们的综合进化和功能研究使我们能够推测这种基因在哺乳动物谱系中经历的广泛进化改造提供了适应性价值。因此,我们的研究证明了进化方法与功能研究相结合的概念可能是有用的工具,揭示器官和组织功能的新关键参与者。“

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