[論文レビュー] The outer hair cell of the organ of Corti possesses a voltage-dependent motile frequency response: evidence for the frequency-dependent compliance of prestin

Joseph Santos‐Sacchi, K. Iwasa+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2018

Hearing, Cochlea, Tinnitus, Genetics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、外側髄様細胞（OHCs）がプレスチニンの周波数依存性剛性に起因する電圧依存性の運動的周波数応答を示すことを示した。電磁動力学（eM）は、半数活性化電圧（Vh）で約1.5 kHz以上で減衰する。応答は保持電圧に対してU字型の依存性を示し、Vhから離れるほど6倍に増幅され、単なる剛性や単純な粘性ではなく、粘性抵抗とプレスチニンの構造的遷移動態の両方の組み合わせが最も適切に説明する。

ABSTRACT

The outer hair cell (OHC) of the organ of Corti underlies a mechanically based process that enhances hearing, termed cochlear amplification. The cell possesses a unique motor protein, prestin, which senses voltage and consequently changes conformation to cause large cell length changes, termed electromotility (eM). In OHCs studied in vitro, the prestin voltage sensor generates a capacitance that is both voltage and frequency dependent, peaking in magnitude at a characteristic membrane voltage (Vh), which can be greater than the linear capacitance of the cell. Consequently, the OHC membrane time constant is multifarious depending upon resting potential and frequency of AC evaluation. After precisely correcting for this influence on the whole-cell voltage clamp time constant, we find that OHC eM is low pass in nature, substantially attenuating in magnitude within the frequency bandwidth of human speech. The frequency response is slowest at Vh, with a cut-off near 1.5 kHz, but increases up to six-fold in a U shaped manner as holding voltage deviates from Vh. NLC measures follow this pattern. Viscous drag alone cannot account for such eM behavior; nor can it arise from viscous drag in combination with a sigmoidal voltage-dependent OHC stiffness. However, viscous drag combined with kinetics of prestin, likely corresponding to its bell-shaped conformational gating compliance (Iwasa, 2000), is in line with our observations. How OHC eM influences cochlear amplification at higher frequencies needs reconsideration.

研究の動機と目的

• オルガヌム・オブ・コルティにおける外側髄様細胞（OHCs）の周波数依存性運動的挙動を調査すること。
• 電圧および周波数がOHC電磁動力学（eM）に及ぼす影響とその背後にある生物理的メカニズムを特定すること。
• 特にコルチの増幅に関連して、高周波数域におけるeM挙動の矛盾を解明すること。
• 粘性抵抗、OHCの剛性、プレスチニンの動態のうち、どれが観察されたeM周波数応答を最もよく説明するかを検証すること。
• プレスチニンの電圧依存性構造的変化が、生生理的周波数範囲でeMダイナミクスをどのように形作るかを明確にすること。

提案手法

• 分離したOHCsを用いた全細胞電圧クランプ記録により、電圧依存性静電容量および電磁動力学（eM）応答を測定した。
• 膜時定数の周波数および電圧依存性を正確に補正し、内在的なeM挙動を分離した。
• 保持電圧および刺激周波数を関数としてeMの振幅を分析し、周波数応答プロファイルを特定した。
• 粘性抵抗とプレスチニンの構造的遷移動態を組み込んだ理論モデルと、実験的eMデータを比較した。
• 非線形静電容量（NLC）測定を用いて、プレスチニンの剛性の電圧依存的変化を推定した。
• Iwasa（2000）のプレスチニンのベル型の構造的ギャーリング剛性モデルを応用し、観察されたeMのU字型電圧依存性を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 保持電圧が外側髄様細胞の電磁動力学の周波数応答にどのように影響するか？
• RQ2 プレスチニンの電圧依存性剛性がOHC運動の周波数応答をどのように形作るか？
• RQ3 粘性抵抗のみで、OHCの電磁動力学の観察されたローパスフィルタリングを説明できるか？
• RQ4 なぜ電磁動力学が、半数活性化電圧（Vh）から離れるほど最大応答を示すU字型の依存性を示すのか？
• RQ5 プレスチニンの構造的遷移動態が、OHC電磁動力学の周波数依存挙動にどのように寄与するか？

主な発見

• OHC電磁動力学（eM）はローパス周波数応答を示し、半数活性化電圧（Vh）で保持している場合、カットオフ周波数は約1.5 kHzに近い。
• eMの大きさは、Vhから離れるほど6倍に増幅され、周波数全域でU字型の依存性を示す。
• 観察されたeMの電圧依存的挙動は、粘性抵抗のみ、またはシグモイド的電圧依存性OHC剛性だけでは説明できない。
• 観察されたeM挙動は、Iwasa（2000）のモデルが示すように、粘性抵抗とプレスチニンのベル型の構造的ギャーリング剛性の両方の組み合わせによって最もよく説明される。
• eMの周波数応答は、OHC膜の電圧依存的時定数に強く影響を受けるため、電圧クランプ実験ではこれを補正する必要がある。
• これらの発見は、特に人間の音声帯域において、OHC eMがコルチの増幅に果たす役割を再考する必要があることを示唆している。