분자 수준에서 어떻게 청력이 발생하는지에 대한 연구 결과

본 내용은 2020.10.1 미국 오하이오 주립대학교에서 발표한 연구내용으로 과학자들은 이 원자수준의 filaments (필라멘트, 미세한 섬유구조)를 매핑(mapping, 측정, 지도화)하고, 시뮬레이션했으며, 이 발견은 내이가 어떻게 작동하고 조명하고  연구자들이 사람이 듣는 능력과 잃는 방법과 그 이유에 대해 더 많이 배우는 데 도움이 될 수 있는 발견입니다.

우리는 부분적으로 소리를 듣습니다. 왜냐하면 우리의 내이 내부의 작은 필라멘트가 목소리, 음악, 소음을 우리의 뇌로 전달되는 전기 신호로 변환하는데 도움을 주기 때문입니다. 이제, 과학자들은 이 필라멘트를 원자 수준에서 매핑하고 시뮬레이션했는데, 이 발견은 내이가 어떻게 작동하는지 조명하고 연구자들이 사람들이 듣는 능력을 잃는 방법과 이유에 대해 더 많이 배울 수 있도록 도와줄 수 있는 발견입니다.

 

지난 10월, 미국 국립과학원 회보에 발표된 이 연구결과는 귀 안쪽 귀의 팁 링크라고 불리는 아주 미세한 필라멘트를 포함하고 있습니다. 소리 진동이 내이에 도달하면, 그 진동은 우리의 뇌가 소리를 감지할 수 있도록 해주는 작은 달팽이 모양의 기관인 내이 코클리어 내에 있는 감각 세포의 이온 통로(채널)를 확장하고 개방됩니다. 팁 링크가 이러한 채널을 열 때, 이 동작은 우리가 소리로 해석하는 달팽이관 전기 신호를 트리거(유발)합니다.

 

[그림] : 청력이 발생하는 원리_구조

팁 링크는 청각에 매우 중요합니다. 그들의 오작동은 청력 손실 및 균형 장애를 유발합니다. 팁 링크는 과학자들이 유전성 난청과 관련이 있다는 사실을 알게 된 단백질 (카데린-23 및 프로토 카테린-15)으로 구성됩니다. 과학자들은 팁 링크가 청각과 균형에 중요하다는 것을 알고 있었지만, 이 연구가 있기 전 까지 팁 링크가 원자 수준에서 어떻게 구성되는지 알지 못했습니다.

 

본질적으로 오하이오 주립 대학의 화학 및 생화학 부교수이자이 연구의 주 저자 인 Marcos Sotomayor는 과학자들이 이전에 팁 링크의 저해상도 이미지를 가지고 있었다고 말했습니다. 이 작업은 고해상도 이미지를 제공했으며 팁 링크를 형성하는 두 단백질 간의 주요 연결을 보여주었습니다.

 

Sotomayor는 "이제 우리는 원자까지 볼 수 있으며 이러한 팁 링크가 소리 발생 힘에 어떻게 반응하는지에 대한 물리학 기반의 영상을 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. "이것들이 어떻게 작동하는지 그리고 작동을 멈출 때 일어나는 일에 대해 훨씬 더 많은 것을 알려줄 수 있습니다."

 

연구진은 팁 링크 단백질의 일부를 분리하고 과학자들이 생체 분자의 원자 분해능 구조를 얻을 수있는 방법 인 X -ray 결정학을 사용하여 프로토카데린-15 단백질로 만들어진 완전한 팁 링크 부분의 원자 모델을 만들고, 카데린 -23과의 연결을 만들었습니다.

 

[그림] 내이의 기계적변환, PCDH15구조

이 단백질에 대한 연구는 10여년 전 Sotomayor가 cadherin-23과 protocadherin-15의 팁의 첫 번째 구조를 얻었을때 시작되었고, 이러한 단백질들이 확장된 분자 "hand shake"를 사용하여 상호 작용한다는 것을 발견했습니다. 지난주에 발표된 연구에서 연구원들은 연결부가 필라멘트를 강화시키는 두 개의 분자 "hand shake"를 사용한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 "hand shake"는 모든 척추 동물의 내이에서 청각과 균형을 유지하는 데 필수적이라고 생각됩니다.

 

연구진은 원자 모델을 사용하여 팁 링크의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 동작을 확인했습니다.

Sotomayor는 "이것들은 현재까지 팁 링크의 가장 완전하고 진보된 분자모델과 시뮬레이션이며 방대한 계산 자원의 사용이 필요했습니다"라고 말했습니다.

 

오하이오 슈퍼컴퓨터 센터, 텍사스 어드밴스드 컴퓨팅 센터, 피츠버그 슈퍼컴퓨팅 센터의 슈퍼컴퓨터에서 수행된 시뮬레이션은 수개월 동안 병렬로 작동하는 1,000개의 컴퓨팅 코어를 사용했습니다. 이러한 시뮬레이션은 소리에 반응할 때 팁 링크의 복잡한 역학을 보여주었습니다. 시뮬레이션 궤적은 분자 "동영상"과 유사하게 팁 링크가 우리가 들을 수 있게 하는 이온 채널을 잡아당기는 소프트 스프링이나 뻣뻣한 케이블처럼 동작할 수 있는 조건을 강조합니다.

 

소토마요르는 "이 구조는 또한 유전성 난청에서 돌연변이된 팁 링크 사이트를 드러낸다"고 말했습니다. "따라서 우리는 이러한 사이트들이 정적인 구조뿐만 아니라 소리에 반응하는 팁 링크의 시뮬레이션 된 궤적을 살펴봄으로써 돌연변이에 의해 이러한 사이트가 수정 될 때 팁 링크에서 일어나는 일을 이해할 수 있습니다."

 

우리 귀의 모든 부분은 우리 뇌가 처리 할 수 ​​있도록 음파를 전기 신호로 변환하도록 설계되었습니다. 소리는 먼저 외이에 도달 한 다음 중이로 이동하여 고막에 닿아 중이 내부의 뼈를 움직이게합니다. 그 움직임은 소리 진동이 내이로 계속되게하고, 결국 진동은 달팽이관에 도달하여 뇌에 대한 전기 신호가됩니다. 이 과정은 몇 백만 분의 1초 만에 빠르게 진행되지만 시스템의 일부가 실패하면 소리 신호가 흐려지거나 전혀 뇌에 도달하지 않습니다.

 

팁 링크는 이미 작고 복잡한 시스템에서 가장 작은 부분 중 일부입니다. 그것들은 나이가 들면서 거울에 보이기 시작하는 머리털이나 우리 귀 속의 미세한 털보다 훨씬 작은 미세한 털의 윗부분에 붙어 있습니다. 내이 달팽이관의 미세한 털은 "유모 세포"라고 불리는 감각 세포 위에 위치하고 있으며, 소리 진동과 함께 움직이는 다발로 배치되어 있습니다. 모세포 다발 움직임의 힘으로 인해 팁 링크가 매우 작은 채널을 열어 양전하를 띤 이온이 세포 외부에서 세포 내부로 이동하도록 하여 달팽이관에서 인간의 뇌로 이동할 전기 신호의 기초를 만듭니다.

 

비슷한 유모 세포들이 우리의 균형 감각을 담당하는 내이측 전정계에 위치해 있습니다. 우리가 머리를 움직일 때, 전정모세포는 묶음은 그들의 팁 링크를 늘려서 뇌가 우리의 균형과 시선을 유지하기 위해 사용하는 전기 신호를 유발합니다.

 

"팁 링크가 없으면 들을 수 없고 균형을 맞출 수도 없습니다."라고 Sotomayor는 말합니다. "그것들은 필수적입니다."

 

팁 링크 단백질의 원자 구조에 대한 이 새로운 이해는 연구원과 의사가 팁 링크가 실패하는 이유와 잠재적으로 실패를 방지하는 방법에 대해 더 많이 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 Sotomayor는 말했습니다. 팁 링크를 형성하는 두 가지 단백질 인 cadherin-23과 protocadherin-15는 뇌와 눈 광수용체에서도 발견됩니다. 이러한 단백질이 완전히 기능하지 않는 경우, 심각한 난청은 어셔증후군이라는 질병에서 진행성 실명을 동반합니다. protocadherin-15의 새로운 구조는 Ushe 증후군 유전자 치료에 이 단백질의 조작된 버전을 사용하려는 다양한 연구 그룹의 노력을 이끌고 있습니다.

 

 

스토리소스 : 오하이오 주립대학에서 제공하는 자료

 

참고저널 : 

Deepanshu Choudhary, Yoshie Narui, Brandon L. Neel, Lahiru N. Wimalasena, Carissa F. Klanseck, Pedro De-la-Torre, Conghui Chen, Raul Araya-Secchi, Elakkiya Tamilselvan, Marcos Sotomayor. protocadherin-15 역학 및 청각 및 균형 지각 기능의 구조적 결정 요인 National Academy of Sciences의 회보 , 2020; 201920444 DOI : 10.1073 / pnas.1920444117

Structural determinants of protocadherin-15 mechanics and function in hearing and balance perception

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