Группа Marty Chalfie's охарактеризовала мультибелковый комплекс механотрансдукции у Caenorhabditis elegans в нейронах, реагирующих на прикосновение (Chalfie, 2009) и гомологи этих критических игроков в этом ансамбле были найдены с сенсорных нейронах млекопитающих. Наиболее интересной оказалась группа ионных каналов, родственных каналам в сердце комплекса нематод,acid-sensing ion channels (ASICs), как было установлено, экспрессируются на высоком уровне в DRG. Две субъединицы, ASIC3 и ASIC1B, избирательно экспрессируются сенсорными нейронами. Однако несмотря на ранние предварительные результаты (Price et al, 2000) по ASICs и механотрансдукции, становится очевидным, что эти каналы не явяляюся существенными компонентами механосенсорного аппарата у млекопитающих. Поэтому много внимания было уделено семейству TRP каналов, учитывая их роль в механотрансдукции у Drosophila и сообщения, что некоторые TRP каналы млекопитающих модулируются при натяжении мембран (Christensen and Corey, 2007). Однако новое исследование Lechner et al (2009) выявило онтогенетическое приобретение механочувствительности DRG нейронами и с помощью нового скрининга экспрессии мРНК пришло к выводу, что мы почти определенно отказаться от ASICs и TRP каналов в наших исследованиях неуловимых трансдуцирующих силу ионных каналов в этой системе.

Изучение соматосенсорной трансдукции сбивает с толку недоступностью нервных окончаний, внедренных в периферические ткани, где этот процесс обычно и происходит. Поэтому исследователи используют культвируемые DRG нейроны в качестве модели, в которой рецепторные белки, экспрессируемые на периферических окончаниях in vivo, обнаруживаются на клеточных телах. Сжатие соматической мембраны, используя механические зонды, генерирует ток катионов в сенсорных нейронах (McCarter et al, 1999). Разные классы DRG нейронов обнаруживают токи с определенными физиологическими и фармакологическими свойствами, соответствующими специфическим функциям нейронов; напр., презумптивные рецепторы прикосновения обнаруживают более высокие токи с низкими порогами активации, чем это делают нейроны, реагирующие на повреждения (nociceptors) (Drew et al, 2004, 2007). Подтвержденная в исследованиях нейритов in vitro (Hu and Lewin, 2006), эта модельная система стала основной в попытках определить молекулярные механизмы, участвующие в механочувствительности.

Нейрогенез в DRG мышей происходит в виде двух волн; первая волна (ст E10-11) дает механорецепторы с низким порогом, нейроны, которые экспрессируют TrkB и TrkC neurotrophin рецепторы, и вторая (между E11-13) разнообразные типы клеток, характеризующиеся экспрессией TrkA, включая nociceptors. Развивающиеся нейроны сначала подвергаются фазе выроста нейритов, иннервирующих дорсальный рог и периферию спинного мозга (где они чувствительны к продуцируемым мишенями сигнальным молекулам), до начала периода функционального созревания. Чтобы охарактеризовать созревающие DRG нейроны, Lechner et al экстрагировали эти клетки из развивающихся мышей с интервалами в один день с E11.5 и вполть до дня рождения и регистрировали токи, активируемые механической стимуляцией их тел. Эти эксперименты показали, что приобретение механочувствительности происходит в виде трех самостоятельных волн. Первая происходит на ст. E13.5 в рано возникших механорецепторах с низким порогом (обнаруживается по присутствию TrkB и TrkC), когда они начинают генерировать быстро адаптирующиеся mechanogated токи. При второй волне популяция nociceptive нейронов начинает экспрессировать быстро адаптирующиеся токи на ст. E15.5, и во время финальной волны, происходит появление др. популяции (возможно перекрывающейся) nociceptors, которые генерируют медленно адаптирующиеся токи в ответ на механическую стимуляцию (see Figure 9 in Lechner et al (2009)).

Первые две волны происходят, когда соотв. периферические аксоны нейронов иннервируют свои мишени, это привело авт. к вопросу, может ли испускаемый мишенями фактор индуцировать экспрессию механически закрываемых (gated) каналов. Интересно, что приобретение механочувствительности с помощью низкопороговых механорецепторов не зависит от TrkC лиганда, neurotrophin 3, и возможно представляет собой генетически запрограммированное событие созревания. Напротив, в nociceptors, воздействие nerve growth factor (NGF) , действующим посредством TrkA, является критическим для появления механически активируемых токов. Более того, NGF может также преждевременно индуцировать такие токи в более молодых nociceptors, которые ещё неполностью вытянули свои отростки. В соотв. с более ранними находками, высокие уровни NGF в культуре повышают механочувствительность (Di Castro et al, 2006), это происходит благодаря дополнительной экспрессии посредством адаптации механически активированного тока, а чувствительность к NGF поддерживается в ранних постнатальных нейронах. Является ли финальная волна приобретения незатухающего тока результатом начала созревания этих нейронов или зависит от отдельного секретируемого фактора, ещё предстоит определить.

Вторая часть работы имеет дело с вновь установленным описанием созревания механочувствительности и использует его для скрининга подлежащих ионных каналов. Исходя из предположения, что экспрессия мРНК трансдуцирующих каналов начинается конкурентно с появлением функциональных каналов (т.e. репрессии трансляции не происходит в ранние моменты времени) авт. полагают, что поиск мРНК, которые отсутствуют (или редки) на ст E11.5 , но обильны на ст. E13.5 и во взрослых DRG д. выявить короткий лист генов кандидатов механотрансдукции чья функция затем будет оценена.

В этом исследовании скрининг был ограничен членами DEG/ENaC млекопитающих (включая ASICs) и TRP семейства ионных каналов, хотя все 43 члена были оценены. Авт. установили, что экспрессия небольшого количества из этих каналов регулируется во времени ожидаемым образом, но ни один из них не соответствует известным кандидатам. ASIC2 и ASIC3 субъединицы позитивно регулируются в соотв. время, но в соответствии с результатами на взрослых DRG нейронах (Drew et al, 2004), токи были нормальными в эмбриональных нейронах, лишенных этих генов. Экспрессия TRPC4 появляется одновременно с механочувствительностью низкопороговых механорецепторов, но мыши, лишенные этого гена не имеют четкого сенсорного фенотипа (Freichel et al, 2005) и их функция в DRG может быть связана с выростом нейритов (Wu et al, 2008). Неизвестные модулируемые натяжением TRP каналы экспрессировались постоянно вместе с проявлением механочувствительности. В целом эти результаты говорят строго за перемещение внимания вне DEG/ENaC и TRP каналов при поиске каналов механотрансдукции, как это наблюдается со слуховыми волосковыми клетками. Разработанный скрининг обладает богатым потенциалом, если будет расширен, чтобы включить др. ионные каналы или анализ микромассивов по всему геному и подобно исследованию генной индукции с помощью NGF может обнаруживать nociceptor-специфические механочувствительные каналы.

Наше знание о механочувствительности у низших организмов быстро растет, но многие важные вопросы осатются открытыми ждя систем млекопитающих (Chalfie, 2009). В DRG, каждый субтип сенсорного нейрона экспрессирует одиночный трансдуцирующий канал, должна ли делеция которого приводить к строгому фенотипическому отклонению, скажем мыши, нечувствительные к механической боли или с совершенно нескоординированными движениями? Или существует запас родственных каналов, широко экспрессируемых и способных частично компенсировать один др.? Существуют ли DRG сенсорные каналы, связанные с подобной функцией в слухе и блансе hearing and balance? И существует ли злостная дерегуляция mechanogated ионных каналов при определенных болевых состояниях? Lechner et al предоставили элегантную характеристику соматосенсорной системы в развитии и предоставили новый пригодный инструмент для решения этих вопросов.

Организмы воспринимают широкий круг сигналов внутренней и внешней среды. Эти сигналы или от энергии излучения, химических единиц или физических с ил д. быть превращены или переведены в сигналы, которые может использовать организм. Преобразованные сигналы могут быть электрическими, такими как деполяризация или гиперполяризация плазматических мембран, могут быть химическими в виде продукции вторичных мессенджеров или могут быть транскрипционными в виде активации экспрессии генов с помощью стероидных гормонов. Одной из главных задач при изучении сенсорных систем является открытие природы процесса трансдукции. Светом трансдуцированые молекулы родопсина известны более 130 лет и обонятельные рецепторы, открытые 17 лет тому назад¹, но молекулы. которые преобразовывают физические силы более трудны для идентификации.

Все клетки взаимодействуют физически со своим окружением и могут осуществлять это на различных временных шкалах. Животные и растения, напр., реагируют на прикосновение и все клетки отвечают на изменение осмотического давления. Рост и организация тканей регулируется физическими контактами между клетками. В самом деле, рак, как полагают, может быть болезнью, при которой физическая регуляция клеточного роста устранена.

Мы не будем обсуждать все физические сигналы, на которые реагируют клетки (reviewed in Ref.2), а суммируем успехи в деле открытия трансдуцирующих молекул, частично белки каналов, в механосенсорных клетках. Это специализированные клетки нервной системы животных, которые участвуют в реакции на физические силы (Fig. 1). У млекопитающих механосенсорные клетки включают те, которые реагируют на прикосновение, звук, ускорение, растяжение мышц и сухожилий и на изменения кровяного давления. Эти клетки млекопитающих имеют разные структуры, но они обладают одним общим свойством: природа их трансдуцирующих молекулы неизвестна (Box 1).

Одним из наиболее важных наблюдений в области механочувствительности являются нейросенсорные преобразования , которые чрезвычайно быстры. Corey and Hudspeth³ , используя волосковые клетки из bullfrog sacculus, установили, что движения пучков волосков продуцируются в качестве реакции на электические импульсы в течение 40 μs. Т.к. эта скорость быстрее, чем наблюдаемая при закрытии стимулируемых светом каналов в сетчатке позвоночных (порядка десятков миллисекунд), в которой задействованы химические промежуточные образования (несмотря на то, что их действие необходимо в ближайшей близи) , то эта электрическая реакция д.возникать в результате непосредственного открытия каналов трансдукции. Сходные submillisecond реакции, зарегистрированы в щетиночных механорецепторах Drosophila melanogaster⁴Caenorhabditis elegans touch receptor neurons⁵ и D. melanogaster chordotonal hearing receptors⁶ , приводящие к тому же заключению. Эти наблюдения заставили искать трансдуцирующие молекулы, чтобы идентифицировать предполагаемые каналы трансдукции, которые по ассоциации с др. белками непосредственно действуют под влиянием механических сил.

Некоторые разнообразные стратегии были использованы для идентификации каналов и др. компонентов, которые преобразуют механические силы. Исследователи непосредственно оценивали механическую пропускную способность каналов. Для бактерий наблюдения, что растяжение мембраны spheroplasts может открывать канал⁷ предоставило метод, который привел к открытию бактериальных механочувствительных каналов высокой провдоимости (MscL)⁸. Др. каналы, особенно определенные классы K⁺ каналов (see below) , котоые ранее не подозревались, что управляются механическими силами, как было установлено регулируются натяжением мембраны, когда экспрессируются в гетерологичных клетках. К сожалению, прилагаемые к мембранам силы, по-видимому, активируют небольшое количество каналов; некоторые кандидаты на роль трансдукционных каналов не активируются натяжением мембраны, когда экспрессируются в гетерологичных клетках.

Исследователи использовали также генетический скрининг для идентификации мутаций, которые дефектны по механочувствительности. Путем клонирования затрагиваемых генов были идентифицированы белки, которые существенны для этого процесса. Генетический скрининг был впервые использован для идентификации нечувствительных к прикосновению мутантов у C. elegans^9-11, но впоследствии был использован для нахождения мутантов, дефектных по прикосновению носом у C.elegans¹², по механочувствительности щетинок и слуху D.melanogaster^13,14, слуху и механочувствительности боковой линии у рыбок данио^15,16 и слуху у мышей^17,18. Кроме того были исследованы многочисленные наследственные нарушения, приводящие к глухоте (see Ref.19 и Review by Jaalouk and Lammerding¹⁰¹ in this issue). Хотя генетический подход оказался полезным, но он имеет различные ограничения (Box 2). Исследователи изучили также гомологичные белки, которые были идентифицированы др. методами, но такой подход имел разный успех (see below).

Эти различные усилия идентифицировали три класса белков каналов. Эти белки сегодны рассматриваются как кандидаты на роль молекул механосенсорной трансдукции у животных: DEG/ENaC (degenerin (также известен какACCN1)/epithelial Na⁺ (ENaC; также известен как SCNN1)) субъединицы канала, transient receptor potential (TRP) белки и two-pore-domain K⁺ (K_2P; также известный как KCNK) субъединицы канала.

DEG/ENaC channels in mechanosensation. Белки DEG/ENaC являются мембранными белками, которые имеют два трансмембранных домена, которые связаны с крупным внеклеточным доменом. Кристаллографическая структура канала, который формируется одним из членов семейства (куриный acid-sensing ion channel 1 (ASIC1)) была недавно установлена²⁰. Доказательства, что эти белки формируют каналы (Fig. 2) , которые участвуют в механочувствительности получены в работах с рецепторами для мягкого касания C. elegans. Два гена, которые кодируют DEG/ENaC белки "mechanosensory abnormality 4 (mec-4) (Ref. 21) и mec-10 (Ref. 22) " экспрессируются в тактильных рецепторных нейронах и могут мутировать, давая нечувствительных к прикосновению животных¹⁰. Потеря активности mec-4 устраняет механосенсорный ток, который регистрируется с C. elegans тактильных рецепторных нейронов и когда к животному прикасаются и когда прикосновение устраняется⁵. Этот результат показывает, что MEC-4 важен для такой двунаправленной тактильной чувствительности, но не доказывает, что MEC-4 является преобразующей молекулой (Box 1). Анализ необычных аллелей mec-4 и mec-10, , однако, подтверждает гипотезу, что MEC-4 и MEC-10 являются частью аппарата преобразования⁵. Эти аллели - которые имеют измененные равноценные аминокислоты вблизи пору-формирующей части молекулы - вызывают нечувствительность к прикосновениям путем изменения избирательности ионов механосенсорного тока (это делает его менее избирательным к натрию), вместо полного устранения тока. Такое селективное изменение и быстрота реакции (see above) строго указывают на то, что эти белки преобразуют прикосновение.

Белки MEC-4 и MEC-10 являются не единственными компонентами аппарата трансдукции. Два др. мембранных белка ко-локализуются и взаимодействуют с MEC-4 и MEC-10 и являются критическими для тактильной чувствительности. Эти белки являются prohibitin-domain белком MEC-2 (Refs 23,24>) и paraoxonase-подобным белком MEC-6 (Ref.25). Оба белка существенно увеличивают актинвость канала (в 30-45 раз), когда ко-экспресируются с активированной версией MEC-4 в ооцитах Xenopus laevis , не влияя на количество блека, которое локализуется на поверхности ооцита. Недавние наблюдения за одиночным участком каналов X. laevis ооцитов²⁶ показали, что добавление этих белков не меняют свойств активированных каналов. Увеличение активности, следовательно, скорее всего исходит от увеличения количества функциональных (т.е., открытых) каналов, которые присутствуют на участке.

Эти результаты и исследования MEC-2, MEC-6 или сходных белков подтверждают гипотезу, что MEC-2 и MEC-6 необходимы для функционирования каналов, т.к. они влияют на липидное окружение каналов. MEC-2 и podocin, подобны белку из почек млекопитающих, связанному с cholesterol²⁷. Cholesterol необходим для тактильной чувствительности C. elegans , а мутация, которая снижает связывание MEC-2 с cholesterol, делает животных более нечувствительными к прикосновениям, когда уровни холестерола снижены²⁷. MEC-6-подобные белки у людей, paraoxonase 1 и paraoxonase 3,как полагают регулируют окисление холестерола в high-density lipoprotein (HDL) частицы²⁸. Эти наблюдения указывают на то, что регуляция липидного окружения, в частности использование холестерола, важна для функции трансдукционного комплекса C. elegans .

Хотя DEG/ENaC каналы преобразуют механические сигналы у C. elegans, их роль в передаче механических сигналов у др. организмов неясна. Два гомолога у D. melanogaster, Pickpocket и Ripped Pocket,которые были в основном идентифицированы благодаря их сходству с белками C. elegans ^29,30, могут служить потенциальными механорецепторами, но это не подтверждено последующими исследованиями^31,32. У млекопитающих ситуация столь же неопределенна. Некоторые механосенсорные клетки кожи экспрессируют разные DEG/ENaC белки α ENaC, β ENaC,γ ENaC, ASIC2 и ASIC3)^33-37. Потеря у мышей любого из ASIC2, ASIC3 или обоих белков, , однако, не вызывает дефектов тактильности³⁸, или напротив продуцирует скромные дефекты^35,36. Потеря белков ASIC также вызывает скромные эффекты на механочувствительность ЖКТ³⁹. Проблема этих экспериментов заключается в том, что если каналы гетеромерны, то потеря любого одного из белков может нарушать, но не устранять реакцию. Ощущение кислотности с помощью ASIC1A, ASIC2A и ASIC3 (Ref. 40) и тока Na⁺ через ENaC каналы⁴¹зависит от субъединичного состава.

Недавние эксперименты у мышей подтвердили, что мутации двух разных mec-2-подобных генов снижают тактильную рецепцию^42,43. Эти результаты нельзя принмать как указание на то, что их белковые продукты являются частями DEG/ENaC комплекса, как это было установлено у C. elegans, т.к.MEC-2-подобный белок млекопитающих podocin может связывать и регулировать активность TRPC6каналов²⁷.

TRP channels in mechanosensation. Семейство TRP канальных белков названо по гену D. melanogaster , продукт которого стал первым известным членом семейства⁴⁴. Каналы TRP, по-видимому, обеспечивают многие формы сенсорного восприятия, включая механочувствительность^45,46. Находка, что многие TRP каналы необходимы для или влияют на механосенсорный процесс (see below) намекает на то, что эти каналы могут действовать как трансдукторы, но прямые доказательства отсутствуют.

Первое указание на то, что эти белки могут играть роль в механосенсорных преобразованиях, получено в исследовании TRP гена osm-9 у C. elegans⁴⁷. Эти исследования показали, что osm-9 необходим не только для касаний носом (nose touch), но и также для обоняния. Т.к. osm-9 необходим для нескольких сенсорных механизмов, то его роль в механочувствительности - в качестве трансдукционной молекулы или модуляторной молекулы - неясна.

Более непосредственное вовлечение TRP канала в механочувствительности выявлено в исследовании генаno mechanoreceptor potential C (nompC) у D. melanogaster^4,13. Предполагаемая мутация этого гена ведет к потере пика рецепторного потенциала, который следует за стимуляцией щетиночных механорецепторов. Однако, небольшой (10% от пика потенциала) ток появляется, когда мутантные щетинки стимулируются, так что роль NOMPC трансдукционной молекулы остается неясной. NOMPC также необходим для chordotonal organs в органе Johnston's, ухе D. melanogaster, но его потеря не устраняет индуцируемых звуками рецепторных потенциалов⁴⁸. Т.к. NOMPC необходим для механически индуцируемой амплификации, которой обладает орган Johnston's - процесс, который, как полагают, участвует в преобразовании - GГpfert et al⁴⁹ и полагают, что NOMPC необходим.,по крайней мере, частично для трансдукции в слуховом аппарате мух. Авт. также полагают, что участвует также второй, неизвестный канал трансдукции.

NompC-подобные гены найдены у C. elegans⁴ и zebrafish⁵⁰. У C. elegans, некоторые клетки, которые экспрессируют nompC-подобный ген (такие как CEP нейроны Fig. 1), реагирующие на механическое присутствие бактерий или небольших кусочков (т.е., они, по-видимому, реагируют на их текстуру⁵¹); др. нейроны, экспрессирующие nompC-подобный ген, по-видимому, необходимы для proprioception⁵². Мутация гена у C. elegans устраняет proprioception⁵²; животные не тестировались непосредственно на реакцию на текстуру. У рыбок данио редукция nompC (a также известного как trpn1) гена с использованием morpholino олигонуклеотидов вызывает глухоту, циркулирующее поведение, которые указывают на потерю вестибулярной чувствительности и потерю microphonic потенциалов, которая приводит к механической стимуляции волосковых клеток боковой линии. Итак, эти данные подтверждают эволюционную законсервированную роль (but undefined) NOMPC каналов в механочувствительности. Странно, но сходные белки не обнаружены у млекопитающих^50,53.

Некоторые др. TRP каналы участвуют в различных формах механочувствительности. D. melanogaster TRPV genes nanchung и inactive необходимы для слуха и для электрической реакции chordotonal нейронов в органе Johnston's^54,55. Оба белковых продукта необходимы для их локализации в ресничках chordotonal нейронов и оба активируются гипо-осмотическим шоком, когда гетерологически экспрессируются в клетках оварий китайского хомячка. GГpfert et al.⁴⁹ полагают, что эти каналы не являются каналами передачи слуха, хотя они всё ещё могут механически регулировать пропускную способность⁵⁶. У C. elegans, белки TRPV OSM-9 и OCR-2 необходимы для восприятия осмоса, механочувствительности и химиочувствительности и как в случае с белкамиD. melanogaster они взаимно необходимы для их локализации в ресничках^47,57. Регуляция осмотических свойств также предполагается для TRPV генов млекопитающих⁵⁸. TRPA painless ген у D. melanogaster необходим для реакции как на грубые прикосновения, так и восприятие горячего⁵⁹. Дальнейшим подтверждением роли TRP каналов в механических реакциях получены в работе на дрожжах, которая показала, что TRP-подобный белок TRPY1 (также известный как YVC1) необходим для реакции вакуолей на повышение osmolarity, и также было показано, что участки вакуолей, которые содержат TRPY1 каналы, могут управляться прикладываемым давлением⁶⁰.

Др. TRP каналы первоначально считались как участвующие в механочувствительности, но впоследствии это было поставлено под сомнение. Corey et al.⁶¹ полагают, что у млекопитающих TRPA1 может быть давно разыскиваемым трансдукционным каналом волосковых клеток, но эта группа и др. впоследствии установили. что трансгенные мыши, лишенные этого канала не являются глухими^62,63. Роль TRPA1 в выявлении вредных прикосновений неясна. Одна группа выявила снижение этого у трансгенных мышей⁶³, но др. не выявила⁶². Снижение TRPA1 с использованием morpholino олигонуклеотидов у рыбок данио редуцировало также активность волосковых клеток ⁶¹, но недавнее исследование, которое изучало нокаутных мутантов не выявили снижения функции волосковых клеток⁶⁴.

Предположение, что TRPC1 (Ref. 65) формирует активируемый растягиванием канал, как было недавно было оспорено⁶⁶. Было установлено, что системы гетерологичной экспрессии, которые были использованы в оригинальном исследовании, обнаруживают варьирующие, внутренне присущие активруемые натяжением токи, так что активности в TRPC1-трансфицированных клетках не отличаются от контрольных клеток. Это исследование также поставило под сомнение, может ли TRPC6 формировать активируемый натяжением канал, как это было предположено ранее⁶⁷. Однако, их случай не стоь доказателен, т.к. они тестировали гетерологическую экспрессию в др. линии клеток. TRPC6 канал, как было предположено, является механически управляемым каналом почек^27>.

K⁺ channels in mechanosensation. Некоторые типы K⁺ каналов могут регулировать свою пропускную способность с помощью механических сил, но их участие в перцепции не было продемонстрировано. Gu et al.⁶⁸ установили, что у D. melanogaster белок Shaker (с удаленным его N-терминальным регуляционным доменом) может быть активирован и инактивирован за счет натяжения мембраны, если экспрессируется в ооцитах X. laevis. Patel, Honor с сотр. установили, что существуют три типа K_2P каналов, TREK1 (также известный как KCNK2), TREK2 (также известный как KCNK10) и TRAAK каналы, которые регулируются механически (reviewed in Ref. 69). Недавно было предположено, что эти каналы вносят вклад в негативный мембранный потенциал покоя клеток. Однако, открытие, что эти каналы могут быть активироваться натяжением позволяет предположить, что они участвуют в механосенсорном восприятии. Trek1-нокаутные мыши имеют удивительный фенотип чувствительности к прикосновению: эти животные еще более чувствительны к мягким прикосновениям⁷⁰. Alloui et al.⁷⁰ полагают, что TREK1 можно считать неидентифицированным трансдукционным каналом, который деполяризует сенсорные клетки кожи. Если такая двойная реакция канала на прикосновение является общей, то K_2P каналы могут играть важную, ранее нераспознанную роль в передаче механосенсорных сигналов. Являются ли эти каналы частью крупных сигнальных комплексов с деполяризующими каналами или они необходимы независимо от этого для восстановления от деполяризации, вызываемой механическими стимулами, остается неясным.

Вовлечение нескольких разных семейств каналов в механосенсорную трансдукцию вообще-то не сюрприз, учитывая большой набор клеточных форм и структур, которые, по-видимому, преобразуют механические сигналы (Fig. 1). В частности клетки отличаются в отношении различных цитоскелетных элементов и внеклеточных компонентов. Из-за уникальности многих этих структур исследователи были удивлены их ролью в механочувствительности.

Многие клетки обладают определенными цитоскелетными наборами. Некоторые клетки животных имеют реснички (напр., щетиночные и chordotonal нейроны насекомых и ASH нейроны носовой тактильности уC. elegans). Др. клетки, такие как волосковые клетки у позвоночных в вестибулярной и слуховой системе обладают выраженными actin-содержащими stereocilia в дополнение к ресничкеkinocilium. Др. клетки, такие как нейроны, которые воспринимают мягкие прикосновения у C. elegans и др. нематод имеют выраженные пучки микротрубочек большого диаметра. Наконец клетки, которые реагируют на прикосновение к телу насекомых и к коже позвоночных имеют отростки, которые экстенсивно ветвятся, но не имеют специализированных цитоскелетных структур.

Роль цитоскелета была исследована путем его нарушения посредством генетических или химических манипуляций. Напр., мутация α-tubulin гена mec-12 или β-tubulin гена mec-7 приводят к элиминации микротрубочек крупного диаметра в тактильных рецепторных нейронах C. elegans ¹⁰. Т.к. возникающие в результате клетки имеют микротрубочки более меньшего диаметра, то они растут и выглядят в основном нормально, но животные не чувствительны к прикосновениям. Электорофизиологическое изучение клеток, , однако, показало, что небольшие механосенсорные токи остаются в тактильных нейронах, которые лишены mec-7 активности⁵. Этот результат указывает на то, что специализированные микротрубочки являются важными, но недостаточными для механосенсорных преобразований. Мутации, которые устраняют реснички или затрагивают ресничками обеспечиваемый транспорт, элиминируют также и механосенсорную функцию у C. elegans⁷¹ и щетинок D. melanogaster (reviewed in Ref. 56).

Проблема этих экспериментов заключается в том, что т.к. цитоскелет участвует в столь многих клеточных функциях, то прямую роль на сенсорную трансдукцию трудно отличить от др. функций. Как и в случае каналов потеря цитоскелета может играть прямую и косвенную роль в механочувствительности даже в случае специализированных структур. Напр., потеря экспрессии mec-7 и mec-12 tubulin генов у C. elegans влияет на распределение, но не продукцию механосенсорных пор (puncta)^72,73. Эти дефекты могут вызывать нечувствительность к прикосновениям, которая обнаруживается у mec-7 и mec-12 мутантов. Однако, поздние нарушения микротрубочек не вызывают подобных дефектов, но приводят к нечувствительности к прикосновениям у взрослых (A. Bounoutas and M.C., unpublished observations). Это указывает на то, что чувствительность к прикосновениям нуждается в специализированных микротрубочках, но учитывая резидуальный механосенсорный ток, который наблюдается у mec-7 мутантов⁵, их роль оказывается неясной.

Механосенсорные клетки часто имеют специализированные внеклеточные компоненты, которые необходимы для их функции. Связки кончиков, тонкие внеклеточные нити, которые соединяют кончики стереоцилий с верхней частью ости соседней стереоцилии в слуховых волосковых клетках⁷⁴ являются показательными примерами. Два белка являются важными компонентами связок кончиков - cadherin 23 и protocadherin 15 (Refs 75-78). Потеря этих белков у мышей и людей ведет к дезорганизации стереоцилий и потере слуха. Прикрепление к внеклеточным структурам также являются важным для щетиночных механорецепторов у насекомых⁷⁹ и для тактильных рецепторных нейронов C. elegans ^72,80.

Основной вопрос, который остается без ответа для большинства сенсорных систем, является роль, которую эти специализированные структуры играют с преобразовании (transduction). Необходимы ли они для организации аппарата трансдукции или они в целом необходимы для трансдукции? Совершенно разные модели для трансдукции предложены, базируясь на внеклеточных и внутриклеточных взаимодействиях, которые необходимы для механосенсорного восприятия.

Серьёзные споры существуют в отношении природы пропускной способности в механических системах, предложены некоторые типы моделей тог, как сила открывает каналы механосенсорной трансдукции (Figs 3-5). Основным вопросом является, передается ли сила через липидный бислой или посредством ассоциированных структур. Предложены три модели пропускной способности механосенсорных каналов. Первая, изменения в силе в липидном бислое влияет на конформацию канала (и не нужны др. белки); вторая, натяжение между закрепленными внутриклеточными и внеклеточными структурами открывает каналы (мембранные силы в этом случае не играют роли); и третья, перемещение одиночной привязи к каналу изменяет взаимодействие канала с мембраной и силой внутри неё, тем самы и открывается канал.,Вторая и третья модели предсказывают, что внеклеточные и/или цитоплазматические связи передают стимулирующие силы к каналам.

The membrane force model. Простейшая модель, в которой участвуют только мембранные силы, выдвинута в исследованиях MscL и MscS механочувствительных каналов бактерий (reviewed in Ref. 81). Эти каналы были первыми идентифицированными механочувствительными каналами. Каждый канал формируется из мультимеров одиночного из мембранных белков и когда оба элиминируются у Escherichia coli, то бактерии оказываются неспособными адаптироваться к осмотическим стрессам⁸². Единственная сила в мембране и отсутствие нужды в др. белках необходима, чтобы открывать эти каналы (Fig. 3). Точная природа пропускной способности всё ещё изучается. Две недавние работы^83,84 предположили, что растяжение мембраны заставляет MscS канал открываться из-за того, что его мембранная спираль наклонена. Т.к. натяжение мембраны открывает Shaker и K_2P каналы, то эти каналы могут регулироваться аналогичным образом, как и недавно открытые MscS-подобные каналы у растений (Box 3).

Dual-tether model. Как указывалось выше большинство механочувствительных клеток животных имеют специализированные структуры, которые, по-видимому, важны для сенсорной функции. Эти структуры могут обнаруживать непосредственную роль в трансдукции. Это должно указывать на связь этих структур с каналом трансдукции, который обычно использует как внутриклеточные, так и внеклеточные связи^85,86. Первая такая dual-tether модель была предложена для трансдукции волосковыми клетками позвоночных. В этой модели гипотетический канал трансдукции прикреплен к внеклеточным кончиковым связкам, которые соединяют стереоцилии, и к актиновым филаментам внутреннего цитоскелета (напр., see Ref. 86) (Fig. 4). Изгибание стереоцилий натягивает канал между этими двумя точками крепления и эффективно открывает канал подобно дверцу люка. Силы в мембране не нужны. чтобы открыть канал, Одним из следствий этой модели является то, что трансдукция является однонаправленной: только движения стереоцилий в направлении, которое растягивает закрепленные соединения д. открывать канал.

Эта модель получена в ходе электрофизиологических экспериментов, которые показали, что канал является gated spring, открытие которого может быть модулировано⁸⁷.Это предположение получено благодаря ЭМ наблюдениям филаментозных нитей (tip links) , которые соединяют стереоцилии волосковых клеток⁷⁴ и из экспериментов по наблюдению за кальцием, которые показали. что трансдукция ведет к вступлению кальция в кончики стереоцилий⁸⁸. Эта dual tether модель привлекательна, т.к. объясняет анатомию волосковых клеток, направленность реакции на смещение пучка⁸⁹ и находку, что потеря кончиковых связок с помощью chelation кальция⁹⁰ или с помощью мутации генов для белков кончиковых связок (see above) устраняет трансдукцию. Хотя трансдукционный канал волосковых клеток не идентифицирован, однако, эта модель остается интригующим предположением.

Недавние доказательства указывают на то, что chordotonal органы трансдуцируют звуки посредством gating-spring механизма⁶, следовательно, эти клетки могут использовать dual-tether механизм. Модель dual-tether предложена для объяснения преобразований, которые связаны с тактильными рецепторными нейронами C. elegans⁹¹, но недавние исследования подтвердили, что эта модель предпочтительна (see above).

Single-tether model. В обзоре Kung⁸¹ предполагается, что как мембранные силы, так и закрепление вносят вклад в открытие каналов. В этой модели движение относительно мембраны важно для пропускной способности. Манипуляции с ре-позиционированием одиночного крепления канала относительно мембраны, приводящим тем самым к изменению силы, которая открывает канал сходным образом с тем, что наблюдается в бактериальных каналах.

Различия между моделью мембранной силы и этой single-tether модели заключается в том, что в первой изменения сил в мембране (вызываемые разбуханием клетки) влияет на открытие канала, тогда как во второй ре-позиционирование канала подставляет его под действие разных сил в мембране. Одним из следствий этой модели является то, что перемещение канала в или вне плоскости мембраны д. открывать канал. Как таковая, эта модель д. позволять двунаправленную передачу сигналов, что наблюдается, напр., в тактильных рецепторных нейронах C. elegans . Мы полагаем, что такая модель подходит для этих клеток с ассоциацией внеклеточных матричных белков в качестве единственной привязки⁹² (Fig. 5). Тестирование такого типа модели с помощью восстановления затруднено, однако, т.к. она постулирует соединение каналов с закрепляющими белками, то закрепление необходимо реконструировать. Это затруднение может объяснить, почему некоторые предполагаемые каналы не могут регулироваться механически in vitro.

Depending on one's point of view, the problem of mechanosensation in animals is either exciting or vexing. Most candidate channels are either channels that are needed for mechanical signalling that have not been shown to be mechanically gated, or are mechanically gated channels with no connection to mechanosensation. The strongest candidate in animals is the MEC-4 channel complex in C. elegans, but the TREK1 channel in mammals (albeit in the novel role of modulating the mechanosensory response) and the TRP channels remain appealing candidates. Future work in the field will undoubtedly be directed towards proving that known candidates transduce mechanical signals. In part, this analysis will involve the expression in vivo of modified proteins that can potentially alter the transduction response.

Genetics has been an important tool in the discovery of candidate mechanoreceptors, and this identification has led to subsequent investigations of homologous proteins. Although considerable efforts have been undertaken to determine whether similar channels function as mechanotransducers, few of these candidates have been shown to be transduction molecules. The DEG/ENaC proteins provide a good example. Although MEC-4 has a proven mechanosensory activity, the functions of other DEG/ENaC proteins in mechanical sensing have been more difficult to demonstrate. One possible problem in studying the putative mechanosensory function of other members of a protein family is that genetic redundancy might be obscuring mechanosensory activity. In bacteria, for example, both MscL and MscS channels must be absent for an osmotic phenotype to be seen. The incomplete loss of the mechanosensory potentials in bristle receptors and a minor defect in hearing in nompC mutants in D. melanogaster also suggest redundancy. Furthermore, although touch-insensitive mutants have been found in C. elegans, D. melanogaster and zebrafish, to my knowledge an inherited condition in humans or mice that is characterized by a loss of touch insensitivity without the loss of sensory endings has not been identified. Mechanosignalling molecules in mammals might have been missed because multiple overlapping transduction complexes might sense touch and other mechanical senses. Further research on mouse strains in which multiple genes have been knocked out is needed in the future.

Given the present state of our knowledge of candidate mechanosensory channels and the diversity of cells that respond to mechanical stimuli, we are likely to find further transducing channels in the future. Some might come from the analysis of new channel families - perhaps, for example, the connexin or pannexin hemichannels. Other candidates will probably appear in new high-throughput genetic screens⁶⁴ or from the increased use of whole genome approaches from systems biology, such as genome-wide microarray analysis and RNA interference screens, applied to mechanosensory cells. For example, microarray analysis of overrepresented genes in the touch receptor neurons of C. elegans⁹³ identified a K_2P channel gene that is highly expressed in the cells (the function of which has not been tested).

Although considerable progress has been made over the past 10 years (from having no candidate transducers to having many), all of the major questions remain. We still need to identify the proteins that transduce mechanical signals in sensory neurons (particularly vertebrate hair cells), to determine whether they must be channels, to learn how transduction occurs and to understand how other cellular components, including the lipid environment, affect transduction. I am optimistic, however, that the next 10 years will bring us the answers to many of these questions.