[논문 리뷰] 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. Iwasa외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 29.

Hearing, Cochlea, Tinnitus, Genetics인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 외부 유모세포(OHCs)가 프레스티닌의 주파수 의존성 탄성도로 인해 전압 의존성 운동 주파수 반응을 나타내며, 전기운동(eM)은 반활성화 전압(Vh)에서 약 1.5 kHz 이상에서 감쇠됨을 보여준다. 반응은 유지 전압에 대해 U자형의 의존성을 보이며, Vh에서 벗어날수록 최대 6배까지 증가하고, 이는 단순한 강성 또는 점성만으로는 설명되지 않고 점성 저항과 프레스티닌의 구조적 변화 동역학의 조합으로 가장 잘 설명된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 조직의 코르티의 외부 유모세포(OHCs)의 주파수 의존성 운동 행동을 조사하기 위해.
• 전압과 주파수가 OHC 전기운동(eM)과 그 기초 생물물리학적 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 특히 고주파수에서의 고역 감마와 관련하여 eM 행동의 모순을 해결하기 위해.
• 점성 저항, OHC 강성, 또는 프레스티닌 동역학 중 어느 것이 관측된 eM 주파수 반응을 가장 잘 설명하는지 테스트하기 위해.
• 프레스티닌의 전압 의존성 구조적 변화가 생리학적 주파수 범위에서 eM 동역학을 어떻게 형성하는지 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 고립된 OHCs에서 전압 클램프 기록을 통해 전압 의존성 용량과 전기운동(eM) 반응을 측정하기 위해.
• 내재된 eM 행동를 분리하기 위해 막 시간 상수의 주파수 및 전압 의존성을 정밀하게 보정하기 위해.
• 유지 전압과 자극 주파수에 따른 eM 진폭 분석을 통해 주파수 반응 프로파일을 결정하기 위해.
• 점성 저항과 프레스티닌의 구조적 변화 동역학을 포함한 이론 모델과 실험적 eM 데이터를 비교하기 위해.
• 프레스티닌의 탄성도의 전압 의존성 변화를 추론하기 위해 비선형 용량(NLC) 측정을 사용하기 위해.
• Iwasa(2000)의 프레스티닌의 종형 구조적 개방 탄성도 모델을 적용하여 관측된 eM의 U자형 전압 의존성을 설명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유지 전압이 외부 유모세포 전기운동의 주파수 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 프레스티닌의 전압 의존성 탄성도가 OHC 운동의 주파수 반응을 어떻게 형성하는가?
• RQ3 점성 저항만으로도 OHC에서 관측된 전기운동의 저역통과 필터링을 설명할 수 있는가?
• RQ4 왜 전기운동이 반활성화 전압(Vh)에서 벗어날수록 최대 반응을 보이며, U자형의 의존성을 보이는가?
• RQ5 프레스티닌의 구조적 변화 동역학이 OHC 전기운동의 주파수 의존적 행동에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• OHC 전기운동(eM)은 저역통과 주파수 반응을 보이며, 반활성화 전압(Vh)에서 유지할 경우 절단 주파수 약 1.5 kHz 근처에서 나타난다.
• 유지 전압이 Vh에서 벗어날수록 eM 진폭은 최대 6배까지 증가하며, 주파수 전역에서 U자형 의존성을 보인다.
• 관측된 eM의 전압 의존성 반응은 점성 저항만으로는 설명될 수 없으며, 시그모이드형 전압 의존성 OHC 강성 역시 설명하지 못한다.
• 관측된 eM 행동는 Iwasa(2000)의 모델에 따라 점성 저항과 프레스티닌의 종형 구조적 개방 탄성도의 조합으로 가장 잘 설명된다.
• eM의 주파수 반응은 OHC 막의 전압 의존성 시간 상수에 의해 강하게 영향을 받으며, 전압 클램프 실험에서 이를 보정해야 한다.
• 이러한 발견들은 인간의 언어 대역에서 고역 감마에서 OHC eM의 역할을 재고할 필요가 있음을 시사한다.