Βασίλης Γ. Σάνδρης Ιατρικό Κέντρο Θεσσαλίας Ελληνική Ωτορινολαρυγγολογία Χειρουργική Κεφαλής & Τραχήλου Τόμος 33 - Τεύχος 1 Η προέλευση του οργάνου της ισορροπίας και της ακοής Evolution of Balance and Hearing Organ Wassilis G. Sandris Thessaly Medical Center Hellenic Otorhinolaryngology - Head and Neck Surgery Volume 33 - Issue 1 Περίληψη Με μία σειρά άρθρων θα επιχειρηθεί η αναζήτηση της προέλευσης του οργάνου της ισορροπίας και της ακοής, τα οποία αν και έχουν διαφορετική λειτουργία κατασκηνώνουν μέσα στην ίδια οστική κάψα. Ειδικότερα στο πρώτο μέρος επιχειρείται η ανεύρεση της προέλευσης του τριχωτού κυττάρου, το οποίο αποτελεί έναν μηχανοϋποδοχέα, ο οποίος μετατρέπει το μηχανικό σε ηλεκτρικό ερέθισμα. Έχει διαπιστωθεί ότι μηχανοϋποδοχείς υπάρχουν ακόμη και σε μονοκύτταρους οργανισμούς με διαφορετική όμως λειτουργία από αυτή των τριχωτών κυττάρων των σπονδυλωτών. Με την άνοδο της φυλογενετικής κλίμακας μηχανοευαίσθητα κύτταρα απαντώνται στην επιφάνεια των ασπονδύλων, τα οποία σε πολυπλοκότερα είδη συγκεντρώνονται πλέον σε αρχέγονα όργανα που αντιδρούν στη βαρύτητα, τις στατοκύστεις. Η αντίδραση έτσι στη γωνιακή και γραμμική επιτάχυνση έπεται της αντίδρασης στη βαρύτητα, όπως αυτό παρατηρείται σε πιο εξελιγμένα ασπόνδυλα, στα καρκινοειδή. Παράλληλα με την εξέλιξη των ειδών παρατηρείται και η μετατόπιση του κινοσιλίου προς την περιφέρεια, έτσι ώστε το τριχωτό κύτταρο να λάβει στα πρώτα σπονδυλωτά, 430 εκατομμύρια χρόνια πριν, τη μορφή που γνωρίζουμε σήμερα. Οι διαδικασίες αυτές, έχει αποδειχτεί μέσω της μοριακής βιολογίας ότι καθοδηγούνται από συγκεκριμμένα γονίδια, τα οποία είτε παραμένουν αμετάβλητα μέσω των ειδών, είτε πολλαπλασιαζόμενα παράγουν συγγενή γονίδια για περισσότερο πολύπλοκες λειτουργίες. Abstract With following articles will be attempted the origin of balance and hearing organ, that even if they have different function although both are housed in the same bony capsule. Especially in the first part is attempted the investigation of origin of hairy cell, which constitutes a mechanoreceptor who changes mechanic in electric stimulus. It has been realised that mechanoreceptors they even exist in one cell organisms with different however function from that of hairy cells of vertebrates. With the rise of phylogenetic scale they are found mechanosensory cells in the surface of invertebrates that in more complicated species are assembled in primitive organs that react in the gravity, the statocyst. The reaction thus in the angular and linear acceleration follows the reaction in the gravity, as this is observed in more evolved invertebrates, in the crustaceans. Simultaneously with the evolution of species is observed also the relocation of kinosilium to the pole of the cell, so the hairy cell receives in the first vertebrates, 430 million years ago, the form that we know today. This processes, it has been proved via the molecular biology that they are guided by genes, which or remain immutable via the species, or multiplied produce relative genes for more complicated functions. Μέρος Α: Η προέλευση του τριχωτού κυττάρου Γιατί η μελέτη της φυλογένεσης Η μελέτη της φυλογένεσης εκτός της βαθειά ριζωμένης επιθυμίας του ανθρώπου να μάθει την καταγωγή του αποσκοπεί και στην επιστημονική αναζήτηση των μηχανισμών που διέπουν την εξέλιξη των έμβιων όντων και την συσσώρευση γνώσης, η οποία θα χρησιμεύσει σε κλινικό επίπεδο 1. 52 Η φυλογενετική έρευνα δεν εξετάζει το γιατί, αλλά το πώς. Η σχέση δε της φυλογένεσης με την εμβρυογένεση περιλαμβάνεται σε μια φράση: η εμβρυογένεση επαναλαμβάνει τη φυλογένεση. Δηλαδή η βιολογική ανάπτυξη κάθε όντος αντανακλά όλη την εξελικτική διαδικασία της δημιουργίας του από τα προγονικά είδη. Επομένως υφίσταται μία άμεση σχέση μεταξύ εμβρυογένεσης και φυλογένεσης, η δε μελέτη των πιο προσιτών μηχανισμών της εμβρυογένεσης επιτρέπει και την εξαγωγή συμπερασμάτων για τους μηχανισμούς της φυλογένεσης και το αντίστροφο.
Η φυλογένεση επομένως συμβάλει στη κατανόηση της εμβρυολογίας, η οποία με τη σειρά της είναι το κλειδί για την κατανόηση της φυσιολογικής ανατομικής και των διαφόρων παραλλαγών της, αλλά και των μηχανισμών που είναι υπεύθυνοι για την διάπλαση, πράγμα το οποίο βοηθά στη σωστή αντιμετώπιση διαφόρων, συγγενούς αιτιολογίας (και όχι μόνον), παθήσεων. Η κατανόηση επίσης της εξελικτικής διαδικασίας, όσον αφορά, τις μικροδομές του ωτός, του αισθητηρίου επιθηλίου, των τριχωτών κυττάρων αλλά και των μη κυτταρικών δομών (τελικά κυπέλλια, ωτολιθοφόροι υμένες, καλυπτήριος υμένας) καθώς και των μοριακών μηχανισμών που την διέπουν, δίνουν λαβή σε περαιτέρω έρευνες προς την κατεύθυνση πλέον της ανάπλασης των κατεστραμμένων ή εκφυλισμένων μικροδομών. Συγκεκριμένα μέσω της έρευνας της μοριακής διαδικασίας της φυλογένεσης του ωτός διαπιστώνεται ότι, μη διαφοροποιημένα ερειστικά κύτταρα κάτω από την επίδραση συγκεκριμένων γονιδίων διαφοροποιούνται σε ειδικούς μηχανοϋποδοχείς για την αντίληψη τόσο της επιτάχυνσης, όσο και ηχητικών ερεθισμάτων. Η αλματώδης μάλιστα πρόοδος των τελευταίων ετών της μοριακής βιολογίας, έχει επισημάνει τα γονίδια εκείνα που είναι υπεύθυνα για τη διάπλαση των τριχωτών κυττάρων αλλά και των κεντρομόλων νευρώνων. Από τη μελέτη της φυλογένεσης έχει διαπιστωθεί ότι σε αντίθεση με αυτό που συμβαίνει στα θηλαστικά, τα τριχωτά κύτταρα στους ιχθείς, στα αμφίβια και στα πτηνά αντικαθίστανται μετά από τραύμα, νερώνονται εκ νέου και καθίστανται λειτουργικά, πράγμα που λαμβάνει χώρα μέσω διαφοροποίησης των ερειστικών κυττάρων. Πειραματικές μελέτες, οι οποίες χρησιμοποιούν θεραπευτικά αδενοϊούς πού παράγουν το γονίδιο Atoh1, έχει αποδειχθεί ότι μπορούν να μετασχηματίσουν τα ερειστικά κύτταρα σε τριχωτά 2. Οι γνώσεις λοιπόν που αποκτώνται από τη μελέτη της εξελικτικής διαδικασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον και κλινικά στην αναγέννηση των τριχωτών κυττάρων (κοχλιακών και αιθουσαίων) μετά από συγγενή ή επίκτητη καταστροφή τους, με τη βοήθεια γονιδίων και νευροτροφινών, τα οποία θα μπορούσαν να πολλαπλασιάσουν εναπομείναντα τριχωτά κύτταρα 3 ή να μετατρέψουν ερειστικά κύτταρα σε τριχωτά και προς αυτή την κατεύθυνση στρέφεται πλέον η έρευνα σε αυτό το πεδίο. Δεδομένου ότι τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τη διάπλαση και διαφοροποίηση των διαφόρων δομών του ωτός διατηρούνται διαμέσου των ειδών, δίνει στους ερευνητές το ερέθισμα να τα χρησιμοποιήσουν για θεραπευτικούς σκοπούς. Εισαγωγή στη φυλογένεση του ωτός Από την εμφάνιση των πρώτων πολυκύτταρων οργανισμών, των ασπονδύλων, πριν από 500 εκατομμύρια χρόνια περίπου, η αίσθηση στις διάφορες μορφές της, ήταν υψίστης σημασίας για την επιβίωση και την εξέλιξη των ειδών. Οι εξωδεκτικές αισθήσεις ήταν η βάση για την ανίχνευση και τον εντοπισμό της τροφής, καθώς και για τη προστασία από διάφορα είδη αρπακτικών και άλλους κινδύνους. Εν τούτοις η πληροφορίες από το εξωτερικό περιβάλλον ήταν ανεπαρκείς για την επιβίωση. Αναγκαία ήταν επίσης και μια εσωτερική αίσθηση, η οποία αναπτύχθηκε μέσα στη διαδικασία της εξέλιξης, και χρησιμεύει στην αντίληψη της θέσης του σώματος ως προς το περιβάλλον. Τα διάφορα, λοιπόν, πρωτόγονα είδη, των οποίων άλλωστε η κίνηση ήταν περιορισμένη μέσα στο νερό, όπως τα ασπόνδυλα (π.χ. μέδουσες), είχαν ανάγκη προκειμένου να επιβιώσουν, ενός οργάνου το οποίο να τα προσανατολίζει ως προς την βαρύτητα. Έτσι δημιουργήθηκε πρώτα το όργανο που αντιδρά στη βαρύτητα, η στατοκύστη, η οποία είναι φυλογενετικά παλαιότερη από την πλάγια γραμμή των ψαριών. Ένα περισσότερο περίπλοκο όργανο, το οποίο αντιδρά τόσο στη βαρύτητα, όσο και στην γωνιακή και γραμμική επιτάχυνση εμφανίζεται στα πρώτα ευκίνητα υδρόβια σπονδυλωτά. Το όργανο αυτό που αποτελείται καταρχήν από έναν κάθετο ημικύκλιο σωλήνα, όπως παρατηρείται στα άγναθα, εξελίσσεται περαιτέρω με την προσθήκη δεύτερου κάθετου ημικύκλιου σωλήνα, για να ολοκληρωθεί με την προσθήκη ενός τρίτου, του οριζόντιου ημικύκλιου σωλήνα, στα γναθόστομα υδρόβια σπονδυλωτά ψάρια. Στη συνέχεια της εξελικτικής διαδικασίας μερικά ψάρια έπρεπε να αφήσουν το υδρόβιο περιβάλλον και να μεταναστεύσουν στο έδαφος προκειμένου να επιζήσουν. Ένα πρότυπο δίπνοου είδους αποτελεί το πνευμονόψαρο (Lungfish). Αυτό το ζώο, μια ενδιάμεση μορφή μεταξύ ψαριών και αμφίβιων, έχει βράγχια καθώς επίσης και έναν πρωτόγονο πνεύμονα που έχει τη μορφή κύστης. Τα πρωτόγονα αερόβια σπονδυλωτά ήταν βαρήκοα επειδή το υδρόβιο αυτί τους δεν είχε προσαρμοστεί στη ζωή στον αέρα. Η αντίληψη των ήχων, η οποία είχε αρχίσει στο υδρόβιο περιβάλλον, όπως αυτή διαπιστώνεται στους χονδριχθείς (καρχαρίες, σελάχια), θα έπρεπε να ενισχυθεί λόγω της δυσκολότερης μετάδοσης του ήχου στο αέρα. Έπρεπε, δηλαδή να δημιουργηθεί, μέσω της εξελικτικής διαδικασίας, ένας ενισχυτής ήχου προσαρμοσμένος στον αέρα. 53
Για το σκοπό αυτό το πρωτόγονο, πρόσφατα προσαρμοσμένο αερόβιο σπονδυλωτό, χρησιμοποίησε τα βράγχιά του, τα οποία δεν είχαν πλέον καμία περαιτέρω χρήση, προκειμένου να δημιουργήσει το μέσο και το έξω ους. Από εκεί προέρχεται εμβρυολογικά και στον άνθρωπο το μέσο και έξω ους, δηλαδή από το πρώτο και δεύτερο βραγχιακό τόξο, με συμμετοχή της πρώτης βραγχιακής σχισμής που στα ψάρια είναι υπεύθυνη για την προέλευση των ανώτερων βραγχίων. Κατ αυτόν τον τρόπο τα αμφίβια ανέπτυξαν μια τυμπανική μεμβράνη και ένα σχισμοειδές μέσο ους. Όσον αφορά την ενίσχυση του ήχου, η οποία πλέον ήταν απαραίτητη σε αερόβιο περιβάλλον, κατ αρχήν υπήρχε μόνο ένα οστάριο, η columella, το οποίο ήταν ο σύνδεσμος μεταξύ τυμπανικής μεμβράνης (μια μεγάλη επιφάνεια) με την πρωτόγονη ωοειδή θυρίδα (μια μικρότερη επιφάνεια). Αυτό επέτρεπε την αποτελεσματική μετατροπή της ακουστικής ενέργειας σε υδραυλική μέσα στο εσωτερικό αυτί, αλλά και μια μικρή σχετικά ενίσχυση του ήχου. Το μέσο αυτί των ερπετών και των πουλιών είναι παρόμοιο με εκείνο των αμφιβίων. Κατά τη μετάβαση, όμως, από τα αμφίβια στα ερπετά και στα θηλαστικά, βελτιώθηκε ο μηχανισμός του μέσου ωτός, με τον σχηματισμό τριών οσταρίων (της σφύρας, του άκμονα και του αναβολέα) τα οποία αντικατέστησαν την columella. Χρειάστηκε να μεσολαβήσουν εκατομμύρια χρόνια προκειμένου τα τρία οστάρια να εξελιχθούν και να επιτευχθεί η ιδανική, για τις σημερινές συνθήκες, ενίσχυση των 25-30 Decibels, που επιτυγχάνεται από το έξω και μέσο αυτί των θηλαστικών. Η εξέλιξη του μέσου ωτός όμως είναι η πιο συναρπαστική διαδικασία από φυλογενετικής άποψης. Ο πρωτόγονος εμβρυϊκός ιστός των βραγχίων υποβλήθηκε σε ατροφία και δημιούργησε το περίπλοκο μέσο και έξω ους περίπου 260 εκατομμύρια χρόνια από σήμερα. Πράγματι η εξέλιξη του μέσου ωτός παρουσιάζει τον πιο εντυπωσιακό μετασχηματισμό των δομών στη λειτουργική εξελικτική διαδικασία: ένα αναπνευστικό όργανο μετασχηματίστηκε σε ένα εξάρτημα του αισθητηρίου όργανο της ακοής, το μέσο ους, για να αντιμετωπίσει τις περιβαλλοντικές περιστάσεις και τις προκλήσεις. Σε αυτούς τους δύο σημαντικούς τομείς της ανάπτυξης (αισθητήριας και αναπνευστικής), βλέπουμε την επιβίωση και την τροποποίηση των οργανικών συστημάτων σύμφωνα με την εξελικτική ανάγκη. Έτσι ενώ το έσω ους ως όργανο ισορροπίας και ανιχνευτής δονήσεων (ακοή) έχει επιζήσει με την ίδια λειτουργία διά μέσου των ειδών, το μέσο και έξω ους έχουν τροποποιηθεί - από αναπνευστικό σε αισθητήριο όργανο - για να μεταβιβάζουν, στον πιο πρόσφατα διαπλασμένο κοχλία, τις εξωτερικές ακουστικές πληροφορίες. Η προέλευση του τριχωτού κυττάρου Το αυτί των θηλαστικών περιλαμβάνει τρία αισθητήρια συστήματα: α) Το σύστημα ανίχνευσης της γωνιακής επιτάχυνσης, β) Το σύστημα ανίχνευσης της γραμμικής επιτάχυνσης και της βαρύτητας γ) Το σύστημα πρόσληψης των ηχητικών κυμάτων (μεταβολών της πίεσης του αέρα), τα οποία μεταβιβαζόμενα στη βασική μεμβράνη του κοχλία ερεθίζουν τα τριχωτά κύτταρα (μηχανοϋποδοχείς) του κοχλία. Εικ. 1: Η αισθητική αγωγιμότητα των αιθουσαίων τριχωτών κυττάρων. Α: Στη κατάσταση ηρεμίας υπάρχει απελευθέρωση μια μικρής ποσότητας νευροδιαβιβαστών από τα τριχωτά κύτταρα προς τις απολήξεις των κεντρομόλων νευρώνων. Β: Τα τριχωτά κύτταρα αποπολώνονται (Depolarisation) όταν τα στερεοσίλια κάμπτονται προς την κατεύθυνση του κινοσιλίου. Γ: Αυτό συμβαίνει διότι οι κορυφαίοι σύνδεσμοι (Tip links) προκαλούν μηχανικά τη διάνοιξη διόδων κατιόντων στη μεμβράνη των στερεοσιλίων. Κατ αυτόν τον τρόπο η είσοδος ιόντων καλίου αυξάνει το δυναμικό της κυτταρικής μεμβράνης. Δ: Το αυξημένο δυναμικό της μεμβράνης ενεργοποιεί ευαίσθητες, στα ιόντα ασβεστίου, διόδους στη βάση της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτό προκαλεί την αύξηση της έκκρισης νευροδιαβιβαστών στη μετασυναπτική μεμβράνη (psd) γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του δυναμικού της μεμβράνης και των κεντρομόλων νευρικών ερεθισμάτων 4. 54
αυτό, κινοσίλιο-στρεοσίλια, αποτελεί μια λειτουργική μονάδα, την ακουστική τρίχα, και αντιδρά στο μηχανικό ερέθισμα της κάμψης των τριχών, οι οποίες συμπαρασύρονται από τις κινήσεις της ενδολέμφου, μετατρέποντας τη μηχανική σε ηλεκτρική ενέργεια (Εικ. 1) 4. Ένα άλλο χαρακτηριστικό της ακουστικής τρίχας είναι η πολικότητά της, η διαφορετική δηλαδή αντίδρασή της στην κάμψη των στερεοσιλίων με κατεύθυνση προς το κινοσίλιο ή προς την αντίθετη κατεύθυνση, γεγονός το οποίο σχετίζεται με την έκκεντρη θέση του κινοσιλίου. Εικ. 2: Τα χοανομαστιγοφόρα (Choanoflagellates) ανήκουν στα πρωτόζωα (πρώτιστα) και είναι μονοκύτταροι οργανισμοί, θεωρούνται δε οι πρόγονοι συνθετότερων οργανισμών, όπως τα μετάζωα. Έχουν ένα μαστίγιο το οποίο περιβάλλεται από έναν δακτύλιο, ο οποίος φέρει λάχνες. Τα μαστίγιο έλκει το νερό, ενώ οι λάχνες συλλαμβάνουν μόρια θρεπτικών ουσιών. Τα τριχωτά κύτταρα τόσο του οργάνου της ακοής, όσο και της ισορροπίας, αποτελούν μηχανοϋποδοχείς, οι οποίοι μετατρέπουν τη μηχανική σε ηλεκτρική ενέργεια. Όσον αφορά ιδιαίτερα την ακουστική τρίχα των κυττάρων του οργάνου της ισορροπίας, εμφανίζει ιδιαίτερη μορφολογία και εξειδίκευση. Αποτελείται από έναν κροσσό, το κινοσίλιο, ο οποίος είναι μακρύτερος και έκκεντρα τοποθετημένος, και συνοδεύεται από περισσότερους κροσσούς, τα στερεοσίλια. Το σύνολο Ποιος είναι όμως ο πρόγονος αυτού του μηχανοϋποδοχέα των θηλαστικών; Κατερχόμενοι τη ζωική κλίμακα παρατηρούμε ότι ακόμη και μονοκύτταροι οργανισμοί (Εικ.2) όπως τα χοανομαστιγοφόρα (Choanoflagellates) εμφανίζουν ένα κινοσίλιο, το οποίο περιβάλλεται από κροσσούς, χωρίς όμως να έχει διαπιστωθεί η ύπαρξη πολικότητας. Οι μηχανοϋποδοχείς εμφανίζονται στη ζωική κλίμακα πριν από την εμφάνιση των τριχωτών κυττάρων. Παραδείγματα αποτελούν οι μηχανοευαίσθητες τρίχες των διπτέρων (Drosophila melanogaster) (Εικ.3), οι μικροσωληνοειδείς μηχανοϋποδοχείς των νηματοσκωλήκων (Caenorhabditis elegans)(εικ.4) ακόμη δε και αυτοί οι πρωτεϊνικοί υποδοχείς τάσεως στην μεμβράνη της Escherichia coli 5. Οι μηχανοϋποδοχείς, όμως, αυτοί δεν έχουν σχέση με την ισορροπία. Εικ. 3: Ο μηχανοϋποδοχέας των διπτέρων (Drosophila melanogaster) Εικ. 4: Ο μηχανοϋποδοχέας των νηματοσκωλήκων. 55
Αντίθετα ανερχόμενοι την φυλογενετική κλίμακα διαπιστώνουμε ότι τα πλέον πρωτόγονα χορδωτά όπως οι θαλάσσιες σύριγγες (Sea squirts) εμφανίζουν μηχανοευαίσθητα κύτταρα, τα οποία βρίσκονται συγκεντρωμένα μέσα σε μια ζελατινώδη ουσία που μοιάζει με κυπέλλιο, είναι δε όμοια με αυτά του στατοακουστικού οργάνου των σπονδυλωτών 6,7. Όλοι αυτοί οι μηχανοϋποδοχείς των ασπόνδυλων αποτελούν ειδικευμένους νευρώνες, οι οποίοι περιβάλλονται από ερειστικά κύτταρα 4. Δεν διακρίνεται δηλαδή το κύτταρο από τον αισθητικό νευρώνα, πράγμα το οποία γίνεται σε μεταγενέστερο στάδιο της εξέλιξης (Εικ.5) 8. Στις πλέον πρωτόγονες μορφές ζωής, στις οποίες εμφανίζονται τριχωτά κύτταρα, μια μακρύτερη τρίχα (είδος κινοσιλίου) βρίσκεται στο μέσον της δέσμης του πλήθους των βραχύτερων κροσσών (Εικ.2). Κατά την άνοδο όμως της ζωικής κλίμακας παρατηρείται μια μετακίνηση του κινοσιλίου προς έκκεντρη θέση (Εικ.6), οι δε κροσσοί μετατρέπονται σε στερεοσίλια 9, και αποκτούν ποικίλο μήκος κατά τη διάρκεια αυτής της δυναμικής διαδικασίας 10. Εικ. 6: Οι σχέσεις της ταξινόμησης των μεταζώων και της εξέλιξης των τριχωτών αιθουσαίων κυττάρων. Παρατηρείται η μετακίνηση του κινοσιλίου προς έκκεντρη θέση (Arkett et al., 1988, Budelmann, 1989 Todi et al., 2004, Fritzsch et al. 2006) Εικ.5: Δέσμη τριχωτών κυττάρων της θαλάσσιας ανεμώνης. Ερειστικά κύτταρα εγκατεστημένα εκατέρωθεν του αισθητικού νευρώνα (SN) λειτουργούν με τρόπο ανάλογο με εκείνον των τριχωτών κυττάρων (HC). Στην εικόνα απεικονίζονται τα μεγάλου μήκους στερεοσίλια (St) και το κινοσίλιο (K) του αισθητικού νευρώνα. Κατά τη διάρκεια απόκλισης των κροσσών, λόγω δονητικού ερεθισμού, ο αισθητικός νευρώνας ολοκληρώνει το εισαγόμενο ερέθισμα από τα ερειστικά κύτταρα και μαζί με σήματα άλλων νευρώνων μεταβιβάζονται στο νευρικό δίκτυο. Σημειώνεται ότι οι κροσσοί των τριχωτών κυττάρων που κάμπτονται προς την κατεύθυνση του κινοσιλίου οι δεσμοί στην κορυφή των κροσσών (tl) ανοίγουν τους διαύλους των ιόντων, γεγονός που οδηγεί σε ερεθισμό του αισθητικού νευρώνα. Αντίθετα οι δίαυλοι των ιόντων των κροσσών των τριχωτών κυττάρων που, καμπτόμενοι, απομακρύνονται από το κινοσίλιο παραμένουν κλειστοί. (Από Watson GM, Mire M: A comparison of hair bundle mechanoreceptors in sea anemones and vertebrate system. Curr Top Dev Biol 1999:43 8 ). Ένα σύνολο διόδων Κ+, στο βασικό τμήμα της μεμβράνης των τριχωτών κυττάρων, διατηρεί το δυναμικό ηρεμίας περίπου στα -70 mv 11. Παραλλαγές των διόδων του Κ+ μπορεί να καθορίζουν την απόκριση των τριχωτών κυττάρων σε διάφορες συχνότητες 12. Έχει διαπιστωθεί, δηλαδή, ότι και τα αιθουσαία τριχωτά κύτταρα, όπως και αυτά του κοχλία, δεν αποκρίνονται στον ίδιο βαθμό στις διάφορες συχνότητες ερεθισμού. Αυτό αποτελεί μια απαραίτητη προσαρμοστική ιδιότητα των τριχωτών κυττάρων εφ όσον οι συχνότητες της κίνησης των στερεοσιλίων που είναι κατάλληλες για την αίσθηση της κίνησης, εκτείνονται από 0 μέχρι 20 Hz περίπου 13. Ενώ στα κατώτερα ζώα (ασπόνδυλα) οι μηχανοϋποδοχείς βρίσκονται διασκορπισμένοι στην επιφάνεια του σώματος, στις πλέον εξελιγμένες μορφές ζωής (κεφαλόποδα, καρκινοειδή) αρχίζει η συγκέντρωσή τους σε αισθητηριακές μονάδες (ωτοκύστεις). 56
Συμπερασματικά ένα κινοσίλιο, το οποίο περιβάλλεται από στερεοσίλια, όπως αυτό παρατηρείται στα χοανομαστιγοφόρα, αποτελεί πιθανότατα την πρόδρομη μορφή όλων των μηχανοϋποδοχέων των μεταζώων 14. Στο συμπέρασμα αυτό καταλήγουν και οι έρευνες της σύγχρονης μοριακής βιολογίας, σύμφωνα με τις οποίες έχει αποκαλυφθεί ότι η ομάδα γονιδίων (bhlh) που είναι υπεύθυνη για την κατασκευή του μηχανοϋποδοχέα των χοανομαστιγοφόρων, η ίδια ομάδα συμβάλλει και στην κατασκευή των τριχωτών κυττάρων των μεταζώων μέχρι και τον άνθρωπο. Η μοριακή εξέλιξη των τριχωτών κυττάρων Η αλματώδης εξέλιξη της μοριακής βιολογίας επέτρεψε την ταυτοποίηση γονιδίων τα οποία συμμετέχουν στη μορφοποίηση διαφόρων οργάνων πράγμα το οποίο βοηθά και στη κατανόηση της εξέλιξης των ειδών. Σύμφωνα με τον Fritzsch για να κατανοήσει κανείς την εξέλιξη των ειδών πρέπει να μελετήσει και να κατανοήσει την εξέλιξη των γονιδίων. Το ενδιαφέρον δε είναι ότι πολλά από τα γονίδια αυτά διατηρούνται ακέραια σε όλη την κλίμακα του ζωικού βασιλείου με τη ίδια πάντα αποστολή, ενώ άλλα προκύπτουν μέσω μεταλλάξεων των προηγουμένων, προκειμένου να σχηματισθούν πιο προηγμένα και πολύπλοκα όργανα. Κατά πρόσφατη διαπίστωση η διάπλαση των τριχωτών κυττάρων των θηλαστικών αρχίζει με το γονίδιο Atoh1 της ομάδας bhlh 2 (Εικ. 7), το οποίο είναι συγγενές του γονιδίου Atonal που εμφανίζεται σε κατώτερα ζώα 15,16. Στις κατώτερες ζωικές βαθμίδες ο μηχανοϋποδοχέας αποτελεί ο ίδιος και νευρώνα (Εικ. 7 Β), η διάπλασή του δε καθοδηγείται από το γονίδιο της οικογένειας Atonal, η οποία ανήκει στην ομάδα γονιδίων bhlh. Στις ανώτερες βαθμίδες (σπονδυλωτά-θηλαστικά) ο μηχανοϋποδοχέας εξειδικεύεται ακόμη περισσότερο και αναπτύσσεται πλέον ανεξάρτητα από τον διαβιβαστικό νευρώνα κάτω από την καθοδήγηση του γονιδίου Atoh 1, το οποίο είναι συγγενές με το γονίδιο Atonal. Έτσι βλέπουμε τα ίδια ή συγγενή γονίδια να καθοδηγούν την ανάπτυξη των οργάνων με την ίδια ή παρεμφερή λειτουργία! Αλλά και γενικότερα η ομάδα των παραγόντων μετεγγραφής, η οποία καθοδηγεί τη διαφοροποίηση των τριχωτών κυττάρων και των συνοδευτικών δομών (ερειστικά κύτταρα) στα σπονδυλωτά έχει αξιοσημείωτη ομοιομορφία σε κάθε σχεδόν κλώνο με αυτή που καθοδηγεί τη διάπλαση των τριχωτών μηχανοϋποδοχέων και των συνοδευτικών ερειστικών κυττάρων στα ασπόνδυλα 17-19. Εικ. 7: Α: Συνοπτική καταγραφή της εξέλιξης των γονιδίων των οικογενειών Αtonal/Atoh1 (υπεύθυνα για τη δημιουργία των τριχωτών κυττάρων) και Neurogenin (υπεύθυνα για τη δημιουργία των νευρώνων) της ομάδας bhlh. Β: Η εξέλιξη των μηχανοϋποδοχέων 16. 2 Το Basic-helix-loop-helix (bhlh) είναι ένα πρωτεϊνικό δομικό σχέδιο (Protein structural motif), το οποίο χαρακτηρίζει μια οικογένεια παραγόντων μετεγγραφής του DNA. (Περισσότερα στον δικτυακό τόπο: http://en.wikipedia.org/wiki/basic-helix-loop-helix). 57 Εικ. 8: Τα χοανομαστιγοφόρα διαθέτουν ένα κινοσίλιο, το οποίο περιβάλλεται από κροσσούς, κυρίως για τη σύλληψη της τροφής. Τα πρωτόζωα αυτά χρησιμοποιούν τα γονίδια της ομάδας bhlh. Τα ασπόνδυλα (ομάδα μεδουσών) έχουν διακριτά αισθητήρια κύτταρα και μυς και χρησιμοποιούν αρκετά γονίδια της ομάδας bhlh για την ιστογένεση. Ο πολλαπλασιασμός των γονιδίων bhlh και η δημιουργία νέων γονιδίων της ομάδας bhlh, όπως των γονιδίων της οικογένειας της νευρογενίνης (Neurogenin), επιτρέπουν τη γένεση και την ειδικευμένη μορφοποίηση των κυττάρων, αλλά και των κεντρομόλων νευρώνων. Τα σπονδυλωτά αύξησαν περισσότερο τον αριθμό των bhlh γονιδίων κατά οικογένεια και δημιούργησαν εξειδικευμένα τριχωτά κύτταρα αλλά και νευρώνες, οι οποίοι μεταφέρουν το ερέθισμα στον εγκέφαλο. 18,19.
Σύμφωνα, λοιπόν, με τα προαναφερθέντα, υπάρχουν βάσιμες ενδείξεις ότι τα τριχωτά κύτταρα των σπονδυλωτών κατάγονται ή έχουν έναν κοινό πρόγονο με τους μηχανοϋποδοχείς των ασπονδύλων ή ακόμη και με αυτούς των μονοκύτταρων οργανισμών. Η χρονολόγηση τέλος των τριχωτών κυττάρων με την μορφή που τα γνωρίζουμε σήμερα, επιτυγχάνεται με την διαπίστωση της παρουσίας τους στα πρώτα άγναθα υδρόβια είδη, όπως η Λάμπραινα, η εμφάνιση της οποίας θεωρείται ότι έγινε πριν 430 εκατομμύρια χρόνια. Παράλληλα με την εξέλιξη των μηχανοϋποδοχέων, δηλαδή τη μετάθεση του κινοσιλίου στον ένα πόλο και τον διαχωρισμό του εξειδικευμένου τριχωτού κυττάρου, παρατηρείται και η συγκέντρωση των μηχανοευαίσθητων κυττάρων σε οργανωμένα μορφώματα, τα οποία αποτελούν πλέον ένα στατοβαρυτικό όργανο, το οποίο αντιδρά στη βαρύτητα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Σάνδρης Β. Η Φυλογένεση του οργάνου της ισορροπίας. Λάρισα: Εκδ. CONTACT, 2011. 2. Izumikawa K, Minoda R, Kawamoto K, Abrashkin KA, DL, Swiderski DF, Dolan DE, et al. Auditory hair cell replacement and hearing improvement by Atoh1 gene therapy in deaf mammals. Nat Med 2005;11: 271-6. 3. Baisel KW, Wang-Lundberg Y, Makland A, Fritzsch B. Development and evolution of the vestibular sensory apparatus of the mammalian ear. J Vestib Res 2005;15:225-41. 4. Carey J, Amin N. Evolutionary changes in the cochlea and labyrinth: Solving the problem of sound transmission to the balance organs of the inner ear. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol 2006;288:482-9. 5. Kerman M, Zuker C. Genetic approaches to mechanosensory transduction. Curr Opin Neurobiol 1995;5:443-8. 6. Bone Q, Ryan KP. Cupular sense-organs in ciona (Tynicata-Ascidiacea). J Zool 1978;186:417-29. 7. Mackie GO, Singla CL. Cupular organs in tow species of Corella (Tunicata: Ascdiacea). Invert Biol 2004;123:269-81. 8. Watson GM, Mire M. A comparison of hair bundle mechanoreceptors in sea anemones and vertebrate systems. Curr Top Dev Biol 1999;43:51-84. 9. Barald KF, Kelley MW. From placode to polarisation: new tunes in inner ear development. Development 2004;131:4119-30. 10. Rzadzinska A, Schneider M, Noben-Trauth K, Bartles JR, Kachar B. Balance levels of Espin are critical for stereociliary growth and length maintenance. Cell Motil Cytoskeleton 2005;62:157-65. 11. Holt JR, Eatock RA. Inwardly rectifying currents of succular hair cells from the leopard frog. J Neurophysiol 1995;73:1484-502. 12. Rusch A, Eatock RA. A delayed rectifier conductance in type I hair cells of the mouse utricle. J Neurophysiol 1996;76:995-1004. 13. Grossman GE, Leigh RJ, Abel LA, Lanska DJ, Thurston SE. Frequency and velocity of rotational head perturbations during locomotion. Exp Brain Res 1988;70:470-6. 14. Fritzsch B, Pauley S. Beisel KW. Cells, molecules and morphogenesis: The making of the vertebrate ear. Brain Res 2006;1091:151-71. 15. Bermingham NA, Hassan BA, Price SD, Vollrath MA, Ben-Arie N, Eatock RA, et al. Math1: an essential gene for the generation of inner ear hair cells. Science 1999;284:1837 41. 16. Fritzsch B, Beisel KW. Keeping sensory cells and evolving neurons to connect them to the brain: molecular conservation and novelties in vertebrate ear development. Brain Behav Evol 2004;64:182-97. 17. Fritzsch B, Beisel KW. Evolution and development of the vertebrate ear. Brain Res Bull 2001;55:711-21. 18. Burighel P, Lane NJ, Fabio G, Stefano T, Zaniolo G, Camevali MD et al. Novel, secondary sensory cell organ in ascidians: in search of the ancestor of the vertebrate lateral line: J Comp Neurol 2003;461:236-49. 19. Fritzsch B, Pauley S, Feng F, Matei V, Nichols DH. The molecular and developmental basis of the evolution of the vertebrate auditory system. Int J Comp Psychol 2006;19:1-24. 58