Molekulare Mechanismen der Schallverstärkung im Innenohr aufgeklärt
Molekulare Mechanismen der Schallverstärkung im Innenohr aufgeklärt
20. Dezember 2023
Unsere Fähigkeit, unterschiedliche Schallintensitäten und Tonhöhen mit großer Empfindlichkeit zu erkennen, beruht größtenteils auf der Fähigkeit des Innenohrs, Schallwellen zu entschlüsseln und einzelne Frequenzen zu verstärken. Das Protein Prestin war seit seiner Entdeckung als molekularer Membranmotor für die Schallverstärkung im Innenohr Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Kontroversen. Forscher:innen des Instituts für Molekular- und Zellphysiologie des Forschungszentrums Jülich und der Philipps-Universität Marburg konnten nun die molekularen Mechanismen der Schallverstärkung durch Prestin in atomarer Auflösung zeigen. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Sie könnten dazu beitragen, neue Therapien bei Taubheit zu entwickeln.
Bei der Entdeckung von Prestin war vor allem überraschend, dass es sehr ähnlich zu anderen Ionen-Transportproteinen der sog. Solute Carrier 26 (SLC26) Proteinfamilie ist. Im Laufe der Evolution entwickelte sich Prestin allerdings nicht nur zu einem spannungsabhängigen Membranmotor, sondern verlor auch die Fähigkeit, Ionen zu transportieren – was zu zahlreichen Spekulationen über die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen führte. Die anderen SLC26-Proteine transportieren Ionen mit Hilfe eines Fahrstuhl-Transportmechanismus durch die Zellmembran, welcher eine vertikale Bewegung einer mobilen Transportdomäne relativ zu einer statischen Gerüstdomäne beinhaltet. Die einzigartige elektrische und mechanische Funktion von Prestin, die sogenannte Elektromotilität, blieb bislang im Unklaren.
Prestin-vermittelte Schallverstärkung. Äußere Haarzellen im sog. Corti-Organ des Innenohrs expandieren und ziehen sich schnell zusammen, um Schallfrequenzen zu verstärken. Prestins' spannungsabhängiger "Fahrstuhlmechanismus" ist die Ursache der Längenänderungen der Haarzellen.Copyright: — Kuwabara, M.F. et al.
Die beteiligten Wissenschaftler:innen kombinierten atomistische Molekulardynamik-Simulationen auf Jülicher Supercomputern und elektrophysiologische Experimente, um den Mechanismus der Elektromotilität von Prestin und damit der Schallverstärkung in atomarer Auflösung zu entschlüsseln. Die Forscher fanden heraus, dass Spannungsschwankungen an den sogenannten äußeren Haarzellen im Innenohr (verursacht durch schallinduzierte Vibrationen) Veränderungen des Prestins von einer komprimierten in seine expandierte FormKonformation (oder umgekehrt) bewirken. Diese sogennanten. Konformationsänderungen von Prestin lösen wiederum Längenänderungen der Haarzellen und damit eine selektive Verstärkung bestimmter Schallfrequenzen aus.
Gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz
Das menschliche Ohr hat eine außerordentliche Sensibilität für verschiedene Frequenzen entwickelt, die für die menschliche Kommunikation wichtig sind. Diese Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in die Schallverarbeitung und -verstärkung im Innenohr und könnten zur Entwicklung neuer Therapieansätze bei Taubheit beitragen.
Originalpublikation Kuwabara, M.F., Haddad, B.G., Lenz-Schwab, D. et al. Elevator-like movements of prestin mediate outer hair cell electromotility. Nature Communications 14, 7145 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42489-8
