Все животные оснащены рядом специализированных сенсорных клеток, чьей первичной функцией является детекция механических сил. Наиболее известными из таких сенсорных систем являются слух и осязание, но механосенсорные клетки также выявляют важные стимулы, которые неосознанно воспринимают, напр., изменения кровяного давления. Мы полагаем, поскольку первичная функция разных сенсорных клеток заключается в детекции механических сил, то они могут использовать общий набор механосенсорных белков для своей функции. Согласно этой гипотезе генетическая изменчивость, затрагивающая функцию механосенсорных белков, может сказываться на количественных изменениях более одного механосенсорного признака. генетика оказалась более успешной в использовании, чтобы охарактеризовать новые молекулы, которые важны для слуха человека [1]. Имеется боле 60 известных генов, связанных с нейросенсорной потерей слуха и сходное количество локусов сцеплено с существующими нарушениями слуха, для которых лежащие в основе генетические дефекты не идентифицированы (см. http://hereditaryhearingloss.org). Не синдромальная нейросенсорная потеря слуха обычно вызывается мутациями одиночного гена, которые в первую очередь затрагивают функцию сенсорных волосковых клеток, которые воспринимают движения базилярной мембраны, вызываемые звуками. Нейросенсорная глухота часто обнаруживается при рождении, а некоторые ответственные гены кодируют компоненты аппарата механотрансдукции волосковых клеток, которые трансформируют механические силы в электрические сигналы [2]-[4].
В противоположность слуху действительно ничего неизвестно о генетике осязания. В самом деле, нет, к вашему сведению, описания случаев не синдромальной сниженной или отсутствующей осязательной чувствительности, присутствующей с рождения человека. Нарушение детекции высокочастотных вибраций (более 80 Hz) у человека, как было установлено, ассоциирует с патогенными мутациями в транскрипционном факторе c-Maf (MIM:177075, MIM refers to the OMIM database) и может быть обусловлено неспособностью к развитию специфических механорецепторов, ассоциированных с тельцами Пачини [5]. Напротив, врожденная полная нечувствительность к боли распознаётся многие годы [6] и сегодня известна небольшая группа генов (NTRK1; MIM:191315, NGFB; MIM:162030 и SCN9A; MIM:603415), мутации которых, как известно, вызывают данное отклонение [7]-[10]. Нарушения осязания было описано как симптом при некоторых тяжелых наследственных или приобретенных нейрологических нарушениях в пределах от нейропатии крупных волокон до болезни Charcot-Marie tooth [11],[12], однако такие нейрологические заболевания часто ассоциируют со структурными изменениями в периферической нервной системе. Периферическая нервная система состоит из первичных сенсорных нейронов, расположенных в краниальных и ганглиях дорсальных корешков (dorsal root ganglia (DRG)) и они являются наиболее многочисленными сенсорными клетками тела. Т.о., в действительности, каждая соматическая ткань тела, кожа, мышцы и висцеральные органы иннервируются аксонами сенсорных нейронов, которые могут формировать механочувствительные окончания в этих тканях. Кожа представляет собой самый крупный сенсорный орган и иннервируется разнообразными типами сенсорных нейронов, которые могут быть охарактеризованы как механорецепторы с низким порогом чувствительности [13]. Очень мало известно о молекулярных основах механотрансдукции в соматических механорецепторах, но трансдукция в этих нейронах может завершаться мультибелковыми комплексами, сходными с теми, что описаны для touch receptor neurons (TRNs) у нематод C. elegans [4]-[6]. ранее нами было показано, что STOML3 (Swissprot Q6PE84) необходим для нормального управляемого осязанием поведения у мышей, и STOML3 является мембранным белком, который необходим для функции механочувствительных ионных каналов в DRG нейронах [4]. Но доказательство, что Stoml3 мутации являются причиной для нарушений осязания у человека пока отсутствуют. Но предположение, что тактильная чувствительность является сложным генетическим признаком, и что она возможно будет обнаружена как наследственный компонент при нормальной изменчивости связанных с осязанием признаков, поскольку это было показано ранее для др. сенсорных признаков, таких как чувствительность к боли и слух [14],[15].
Здесь мы показали, что имеется существенный генетический компонент тактильной чувствительности у людей путем выявления наследуемости признаков осязания, оцененных с помощью количественного сенсорного теста и классического исследования близнецов. В соответствии с нашей гипотезой о существовании общих генетических факторов, лежащих в основе разных механочувствительных систем, мы установили, что количественные измерения механосенсорных признаков-т.е., остроты осязания, остроты слуха и функции рецепторов баррорецепторов-позитивно скоррелированы др. с др. в популяции здоровых людей. Мы также исследовали когорту людей. страдающих от врожденной потери слуха и установили, что тактильная чувствительность у них снижена по сравнению с контролем. Определяли роль одиночных генов нейросенсорной глухоты и чувствительность людей, страдающих от синдрома Usher. Мы установили, что тактильная чувствительность нарушена у индивидов, несущих патогенные мутации в гене
USH2A (MIM:608400), но не в др. случаях синдрома Usher. Наше исследование предоставило исчерпывающие доказательства, что существуют общие генетические элементы, которые вносят вклад в осязание и слух и идентифицировали один из генов как
USH2A.
Discussion
Мы показали, используя два психофизические измерения, что тактильная чувствительность существенно варьирует в нормальной человеческой популяции. Важно, что мы смогли показать изучая классических близнецов, что большая часть изменчивости тактильной чувствительности (между 27% и 52%) может быть объяснена генетическими факторами. Мы также подтвердили и дополнили опубликованные работы, показывающие, что исполнение у человека свойств, которые зависят от механосенсорных систем (напр., слух и чувствительность барорефлекса) также частично детерминированы генетически [39]-[43]. Мы продвинулись на ступень дальше и предоставили доказательства, что имеются общие генетические детерминанты, которые влияют как на слух, так и осязание. Мы предоставили три ключевых набора экспериментальных данных, подтверждающих этот вывод. Во-первых, мы показали, что нормальные человеческие популяции обнаруживают достоверную корреляцию между осуществлением осязания и слуха, проще говоря, если вы обладаете хорошим слухом, то имеете более высокие шансы, что будете обладать хорошей остротой осязания. Эти т. наз. интермодальные корреляции были пленительны, но не указывали на причинную связь между слухом и осязанием. Поэтому мы затем исследовали группу индивидов с врожденными нарушениями слуха. Высокая пропорция молодых людей с нарушениями слуха обнаруживала очень бедное осязание. В третьем наборе экспериментов с группой людей, страдающих синдромом Usher, мы выявили мутации одиночного гена, USH2A или Usherin, которые ассоциировали с бедной остротой осязания, а также с врожденной потерей слуха и начинающейся у взрослых слепотой. Пациенты с синдромом Usher, у которых лежащая в основе мутация была неизвестна, не обнаруживали снижение осязания. Был также идентифицирован ген, который влияет как на остроту слуха. так и осязания, мы пришли к выводу, что, по-видимому, существует более широкий круг ещё не идентифицированных генов, которые влияют как на осязание, так и слух. Функциональная характеристика таких генов может помочь в молекулярной характеристике нормальной и аномальной тактильной чувствительности.
Классические близнецовые исследования оказались пригодны для подсчетов наследуемых компонентов, которые вносят вклад в фенотипическую изменчивость сложных признаков. Мы показали, что два измерения тактильной чувствительности, острота осязания (h2 = 0.27) и vibration detection threshold (h2 = 0.52), являются наследственными (Figure 1). Эта находка важна, поскольку она позволяет нам ответить на вопрос, могут ли общие генетические факторы влиять на слух и осязание (see below). Как часть нашего исследования близнецов мы измеряли также восприятие температуры. Поразительное свойство кожной сенсорной системы человека это способность улавливать крохотное увеличение (потепление) или снижение (охлаждение) кожи; такие изменения могут быть восприняты, если область поверхности ~9 cm2 нагревается или охлаждается (Figure 4). Наследуемое восприятие температуры не было изучено, мы установили достоверную наследуемость порогов детекции потепления и охлаждения (h2 = 0.37 and h2 = 0.40, соотв.).
Близнецовые исследования использовались ранее, чтобы показать, острота слуха высоко наследуема у лиц среднего и пожилого возраста [41],[42],[44]; Мы расширили эти находки, подтвердив наследуемость остроты слуха в более молодой группе близнецов, чем это было изучено ранее (средний возраст 29 лет). Острота слуха, безусловно, зависела от влияния генетических факторов, которые могут действовать в любой точке слухового пути; поэтому мы, как и др., измеряли также evoked otoacoustic emissions (EOAE), которая является более прямым измерением механосенсорной функции наружных волосковых клеток [45]. Высокие уровни наследуемости уже были описаны для EOAE [46], но следует отметить, что наша более крупная выборка близнецов дала подсчеты наследуемости исключительно высокие (напр., EOAE сила h2 = 0.80-0.93 по сравнению с 0.65-0.85 описанной McFadden [46]) (Figure 2). Острота барорефлекса у покоящихся участников также обнаруживала наследование при изучении близнецов [43], и мы смогли подтвердить это здесь на независимой группе (Figure 3). Пороги к боли от нагревания также были описаны как наследуемые при изучении близнецов [14]; однако, в нашей когорте мы не смогли выявить достоверное наследование этого параметра (Figure 4). В противоположность исследованию Norbury с коллегами, которые использовали исключительно близнецов женщин [14], мы использовали как мужчин, так и женщин, это затруднило обнаружение наследования, которое у женщин более сильное.
Стартовой гипотезой данного исследования была, что общие генетические факторы могут влиять на слух и осязание. Строгим указанием на это может быть то, что интермодальные механосенсорные корреляции были почти столь строгие, как и ожидалось от интермодельных корреляций между признаками. Т.о., статистически достоверные корреляции были найдены между остротой слуха и тактильной остротой, EOAE воспроизводимостью и тактильной остротой и между силой EOAE и последовательностью частот baroreflex (Figure 5). Эти находки предполагают, но не доказывают. что варианты генов могут оказывать влияние на более чем одну механосенсорную модальность. Исходя из этих результатов. мы задались вопросом, обладают ли индивиды с врожденной глухотой нарушенным кожным осязанием. Поразительно, мы установили, индивиды с нарушениями слуха обнаруживают в среднем более бедные по сравнению с контролем обе оценки осязания и это было высоко достоверно (Figure 6). Очень возможно, что этот эффект обусловлен субпопуляцией индивидов в группе, которые имеют очень слабое осязание. Так, когда учитываются все индивиды вместе со слабым осязанием (defined as > control mean + 2 SD) как в отношении остроты осязания, так и теста на детекцию вибрации, затем до 20% от группы имели нарушения осязания. Группа. которая была выбрана как случайная выборка индивидов с нарушениями слуха и представляющая поэтому широкий круг затронутых генетических локусов, вызывающих глухоту. Неожиданно высокая пропорция индивидов со слабым осязанием вряд ли обусловлена влиянием только одного гена глухоты. Альтернативное объяснение в том, что отсутствие активности слухового нерва у этих индивидов негативно сказывается на развитии соматосенсорной системы. Взаимодействие между процессингом осязания и процессингом слуховых сигналов было описано; напр., слуховая кора может быть активирована тактильными стимулами [47],[48]. Кажется маловероятным, что отсутствие слуховых импульсов будет неблагоприятно влиять на процессинг сенсорной информации, связанной с осязанием, поскольку было показано, что слуховая кора даже более активна в ответ на тактильные стимулы у глухих персон по сравнению с нормально слышащими индивидами [24]. Наша находка, что большинство индивидов, с тяжелыми нарушениями слуха, не имеет измененной тактильной чувствительности, показывает, что нарушения слуха сами по себе не обязательно негативно влияют на осязание.
Как же могут гены слуха влиять на осязание? Общие свойства врожденной потери слуха варьируют в пределах от дезорганизации стереоцилий, где осуществляется механотрансдукция, до полной деградации и потери сенсорных волосковых клеток [1]-[3]. Однако, отсутствуют указания, что соматические сенсорные нейроны нуждаются в ресничках для своей функции и, следовательно, потеря функции слуховых генов д. действовать на многих др. уровнях. В случае глухоты с поздним началом, вызываемой доминантно негативными мутациями в гене, кодирующем белок канала иона калия KCNQ4 (DFNA2-тип моногенной потери слуха), волосковые клетки дегенерируют, по-видимому, в результате устойчивой деполяризации [49]. Мы недавно установили, что белок KCNQ4 выполняет специализированную роль в трансформации рецепторных потенциалов в потенциалы действия в специфических типах механорецепторов [50]. Более того, потеря функции KCNQ4 ассоциирует с лучшим исполнением детекции порога вибраций, но только при низких частотах вибраций [50]. Некоторые слуховые гены, как было установлено, затрагивают синапсы между волосковыми клетками и сенсорными афферентными нейронами, которые передают слуховые сигналы в головной мозг [51],[52]. Также очень возможно, что гены глухоты, которые влияют на свойства синапсов могут также иметь следствия для функциональных свойств синапсов сенсорных нейронов в соматосенсорной системе.
Эффект сенсорной потери на тактильную чувствительность изучался ранее в случае слепоты. Несмотря на распространенное мнение, что слепые люди обладают повышенной тактильной чувствительностью, картина, вырисовывающаяся в предыдущих исследованиях. оставалась неясной. Целый ряд разных тестов был предложен для решения этого вопроса, при этом некоторые давали лучшие результаты в группе слепых, а некоторые нет [37],[53]-[55]. Это было и в нашей группе слепых; мы установили, что пороги детекции вибраций остаются неизменными в группе слепых, но острота осязания четко увеличена (Figure 7). Острота осязания ранее тестировалась у слепых участников с противоположными результатами [36],[37],[53]; однако, слепота никогда не ассоциировала со снижением осязания.
Мы желали идентифицировать одиночные гены, которые влияют на слух и осязание и поэтому решили изучить индивидов с синдромом Usher. Синдром Usher хорошо охарактеризован на генетическом уровне, известно множество аллелей, затрагивающих, по крайней мере, 10 генов. включая MYO7A (MIM:276903), USH1C (MIM:605242), CDH23 (MIM:605516), PCDH15(MIM: 605514), SANS (MIM: 607696), USH2A, VLGR1(MIM: 602851), WRHN (MIM: 607928), USH3A(MIM: 606397), and PDZD7(MIM: 612971) [2],[56],[57]. Интересно, что всe Usher гены, охарактеризованные детально экспрессируются в сенсорных волосковых клетках и в некоторых случаях белковый продукт даже локализуется в месте трансдукции на кончиках стереоцилий [2]. В самом деле, существуют солидные доказательства, показывающие, что кончиковые связки, которые необходимы для переноса сил, чтобы открывать механотрансдукционные каналы, создаются двумя белковыми продуктами гена Usher, cadherin-23 и protocadherin-15 [58],[59]. В нейронах DRG мы недавно получили доказательства, что очень крупный внеклеточный белок tether (~100 nm в длину), необходимый для пропуска механочувствительных токов, обнаруживается в тактильных рецепторах [60],[61]; качественные особенности этого белка tether неизвестны, но по своим биохимическим свойствам он не соответствует белкам верхушечных связок cadherin-23 и protocadherin-15 [60]. Здесь мы показали, что повышенные острота осязания и определения порогов вибрации, наблюдаются у пациентов, страдающих от синдрома Usher типа II, вызываемого мутациями в USH2A (Figure 7A). USH2A это трансмембранный белок с очень большим внеклеточным доменом, в принципе распространяющимся на 100 nm во внеклеточное пространство [62]. В волосковых клетках белок USH2A располагается в основании стереоцилий и, как полагают, является частью щиколоточных (ankle) связок, которые соединяют соседние стереоцилии [63],[64]. USH2A белок может быть обнаружен только в развивающихся волосковых клетках улитки, но обнаруживается также на более поздних стадиях в вестибулярных волосковых клетках. USH2A, как было установлено, соединяется с др. Usher белками [63],[65], а также с коллагеном IV [66] и может служить связью между Usher белками внутренней сети и внеклеточным матриксом. Пучки стереоцилий дезорганизованы у мышей с целенаправленной делецией гена USH2A и такие мыши глухи [67]. Биохимические свойства белка USH2A делают его возможным кандидатом на роль (связей) tether, выявляемого в сенсорных нейронах.
Человеческий USH2A является чрезвычайно крупным геном, состоящим из 72 экзонов, которые могут кодировать белок длиной в 5,222 аминокислот [62]. Несколько разных транскриптов были идентифицировано для гена USH2A и вполне допустимо, что мутации в этом гене могут оказывать разные эффекты на белковые продукты, экспрессируемые в разных тканях (напр., волосковых клетках и сенсорных нейронах). Большинство пациентов, у которых одна патогенетическая мутация USH2A идентифицирована, возможно являются также носителями второй мутации того же самого гена [68]. В соответствии с этим предсказанием мы наблюдали, что смешанная группа пациентов гомозиготных и гетерозиготных по патогенным мутациям USH2A также обнаруживала нарушения тактильной чувствительности, хотя эти различия не были статистически достоверными. Интересно, что многие индивиды с синдромом Usher типа II в нашем исследовании не обнаруживало нарушения остроты осязания, хотя предыдущий анализ больших популяций из этих пациентов показывал, что большинство (до 70%) могут нести патогенные мутации в гене USH2A [33],[69],[70]. Интересно, что пациенты с Usher типа 2, для которых не известны мутации в USH2A, как известно, в целом обладали лучшей остротой осязания, чем в контроле (Figure 7D). Такие пациенты страдали также нарушениями зрения и вполне возможно. что они, подобно слепым людям, выучились улучшать свою остроту осязания. Мутации в двух др. генах, WHRN и VLGR1, также могут приводить к синдрому Usher типа II [71],[72], но мы не смогли подтвердить ни одного такого случая в нашей группе. Вновь продемонстрированный эффект мутаций гена USH2A на остроту осязания показал здесь четко оправдание детального исследования этого белка в соматосенсорной системе.
Итак, было продемонстрировано, что тактильная чувствительность у человека в самом деле может затрагиваться на генетическом уровне и мы получили доказательства для общих генетических факторов, влияющих на разные механосенсорные системы, особенно осязание и слух. Очень вероятно, что идентификация мутаций одиночного гена, которые затрагивают осязание смогут пролить свет на гены, которые детерминируют развитие, связанность, а также природу механосенсорной трансдукции в осязательной системе.
