声音在耳内的信号转导及其分子生物学机制(3)

汤浩 石丽娟 于利 曹宇

1.3.3毛细胞纤毛束的偏离启动了机械-电的转导 在图2中已表明，纤毛束向右侧偏移时，是一种正向的刺激,能够使毛细胞去极化；而向相反方向运动时则会引发毛细胞的超极化。图5a是一个记录电极插入到细毛细胞胞质中的模式图[3,8]。将一个机械刺激作用于毛细胞的纤毛束，就可以诱导出一个电反应，即产生感受器电位(图5b，c)。这一电位是由机械敏感性离子通道控制的。在体外实验观察到，当附着在一束纤毛顶部的探针使其偏转时，毛细胞对此的反应取决于所受刺激的方向和大小(图5b，c)，在未受刺激的细胞中接近15%的转导通道是开放的，因此，毛细胞的静息电位大约是-60 mV，部分是由内流的转导电流决定的。一个使纤毛向倾斜的较高侧缘(动毛侧)偏转的正性刺激可以使其余的通道打开，结果正离子的内流使得细胞去极化，去极化的程度大约是10 mV。相反，一个使纤毛向较低缘偏移的负性刺激则可以关闭这些在静息时开放的转导通道，使细胞超极化(图5b，c)。简单地说，毛细胞只对在形态上与纤毛的轴平行的刺激成分产生反应，因而一个倾斜的刺激引起一个与其轴的矢量突起成比例的反应。

图5毛细胞的机械敏感性检测
a.一个记录电极插入到细毛细胞胞质中的模式图
b.对纤毛束施加一个机械力使这个弹性结构发生偏移
c.当一个纤毛束的顶端在刺激电极作用下往复偏移时，机械敏感性通道开放和关闭，从而产生一个振荡的感受器电位
d.一个受刺激的毛细胞，以感受器电位作为纵坐标，纤毛束的偏移作为横坐标，二者表现出 “S”形曲线的关系。

一个毛细胞的感受器电位是分等级的，随着刺激振幅的增大感受器电位也随之逐渐增大，直至饱和时的最大值。纤毛束的偏移与它产生的电反应之间呈S形关系(图5d)。与毛细胞对微小刺激的敏感度相一致，100 mV的移位可以表现出90%的反应范围。在正常刺激的情况下，纤毛束的偏移在±1°或更大一点的范围内，也就是说小于一个立体纤毛的直径。毛细胞非常敏感，因此，听觉和前庭感受器的反应阈很可能是布朗运动确定的。在体外观察时，一束纤毛可以做约3 nm的布朗运动，即听力的阈值同纤毛束的偏离(约为±0.3 nm)有关。但由于听觉系统要平均地对几个周波做出反应而改善它的信噪比，这一数量的刺激可引起大约100 μV的动作电位。

毛细胞的机械电转导通道是相对的无选择性，并且阳离子通过孔有接近100 pS的电导系数。因为小的有机正离子支持可测量的电流，转导通道孔径至少为0.7 nm，大多数的转导电流是由K+运送的。K+是浸润着纤毛束的内淋巴中浓度最高的正离子，这些通道的不敏感性使得它们容易被氨基糖苷类的抗生素阻滞，例如链霉素、庆大霉素和托普霉素，在被大量用于抗感染时，这些药物对毛细胞容易产生耳毒性作用；大量的形态学实验证明，这些抗生素破坏了毛细胞的纤毛束甚至杀死毛细胞。有一种学说认为，这些药物可以通过转导通道低速潜入细胞内并且通过干涉线粒体中的核糖体(同原核生物的核糖相似)上的蛋白合成而转为长期的毒性作用。与这一假说相一致的是，人类对氨基糖苷类的敏感性是作为线粒体的特性遗传而来的。

声音分析和单通道记录表明，每个毛细胞只有约100个转导通道。因为在纤毛束中有相当数量的立体纤毛，而且感受器电位粗略地同显微解剖术上保留的立体纤毛的数量成比例，所以每个立体纤毛上可能都有一个或几个活性转导通道。毛细胞上机械电转导通道的不足以及用于修饰它们的高亲和力配体的缺乏，很可能是这些通道的生化性质至今仍未被描述出来的重要原因。

1.3.4门控弹簧学说——机械-电转导的离子门控机制毛细胞纤毛束的偏离启动了机械-电的转导，提示机械力直接控制转导通道的开启与关闭。换言之，机械-电转导的通道是受纤毛束的弹性结构调控的门控式通道[3,7～9]。由此可见，毛细胞中的机械电转导所包括的离子门控机制，是完全不同于神经、肌肉等细胞的跨膜信号转导方式，例如动作电位突触后电位的电信号转导的离子门控机制是由化学信号调控的。毛细胞的通道是受机械张力影响的，而不是对膜电位的反应或与配子结合。

有证据表明，转导通道的开闭是受纤毛束中的弹性结构的张力调节的。首先，测量与机械电转导有关的纤毛束的硬度成分是可能的。一束纤毛在沿着其形态学对称的轴上比其在直角时更坚硬，因此具有机械敏感性。有人将一部分用于使纤毛束偏移的力作用称为门控弹簧(gating spring)，观察表明，在这个弹性结构上具有控制着转导通道的分子门控系统(图6)。由于门控弹簧多半分布于纤毛束的坚硬部分，因此，当纤毛束偏离时，转导通道可以高效地捕获所供给的能量。另外，纤毛束的硬度在通道门控系统的作用过程中减小，这一现象认为是直接通过纤毛束与通道之间的机械连接控制的。

图6毛细胞的机械-电转导离子门控机制的模型
a.上图：毛细胞上参与机械-电转导作用的离子通道是门控式通道,受纤毛束的弹性结构调控。这个通道可能是一个跨膜蛋白，具有阳离子选择性孔道。经过这个通道的离子通透可被一个分子门所调控，而这个分子门的开放和关闭又受到一种弹性成分-门控弹簧的调节，门控弹簧能够感受纤毛束的偏移(引自Howard等，1988)
下图：当纤毛束处于静息状态时,每个转导通道也在关闭和开放两种状态间交替，而大多数时间是关闭的(左图)。当纤毛束向正向偏移时,增加了门控弹簧的张力(中间图)，此门控弹簧被认为是一种尖端连接，连接着每个通道的分子门，增加的张力促使通道的开放，正离子流入，因而产生了一个去极化的感受器电位(右图)(引自Hudspeth,1989)
b.在纤毛束的顶端表面的扫描电镜图(左图)以及透射电镜图(右图)中，可见连接静纤毛顶端和相邻的较长的静纤毛侧壁的连接，称顶端连接。尽管每个顶端连接直径仅有3 nm，在左侧的图解中，这些顶端连接显得格外坚固，是由于样本处理过程中进行金属包被的原因 (引自Assad，1991)

另一方面的证据是，机械-电转导中利用的通道是由门控弹簧直接控制的，这一控制速度同毛细胞的反应一样的迅速，即反应的潜伏期很短，只有几微秒。因此，这种不借助第二信使的门控系统更像是直接控制而非间接控制。毛细胞对于一系列不断变大的阶梯式的刺激的反应并不只是逐步地增大，而是快速地上升。这一现象支持了动力学的一种理论，即机械力控制着通道门控的速度恒量。如果来自于刺激的机械能被储存在一个与通道门相连的弹簧上，那么通道开启和关闭的速度取决于弹簧的能量含量与用于开闭通道的过渡态能量的差值。

已有人通过三种实验技术证明，机械-电转导的位置是在立体纤毛的顶部[3,9,10]。第一，通过测量一个受刺激的纤毛束周围的胞外电势的微小变化而推断出阳离子内流进入毛细胞的区域，即电压信号在纤毛束的顶部最强；正离子内流转导通道会聚于立体纤毛顶部附近。第二，可以阻断这些通道的氨基糖苷类抗生素在纤毛束的顶部可发挥出最大的作用。第三，Ca2+敏感性荧光指示剂能够标识出Ca2+在接近偏离的纤毛束顶部的地方进入。转导电流在改变毛细胞膜电位之前沿着轴方向流动到立体纤毛，这样就影响了突触递质的释放速度。尽管立体纤毛非常的狭窄，但是它也很短，所以它们的电缆特性不会对电信号产生较大的削弱作用。

门控弹簧已经被认为是一种顶端连接，即一种两个立体纤毛间的丝状的连接(图6b)。每个顶端连接都是精细的纤维，它可能是以倾斜的方式连接着立体纤毛的顶端和邻近的较长纤毛的侧壁的最长的突起的一对分子链。人们认为每个连接在其一端或两端都与一个或几个转导通道的分子门相粘附。在这样的排列之下，在正方向上推动一束纤毛可以拉长顶端连接并且促进通道打开；一个相反方向的刺激可以松弛顶端连接并且允许相关的通道关闭(图6a)。有三方面证据表明顶端连接是门控弹簧[3]：首先，连接普遍地存在于纤毛束中，在纤毛束中它们分布在由生物物理实验中推断出来的转导位置；其次，当顶端连接通过将毛细胞暴露在Ca2+螯合剂中而被破坏时，转导也随之消失；最后，顶端连接的方向同矢量转导的敏感性方向一致。图6b中可见，在静息状态，顶端连接以倾斜的方式连接着立体纤毛的远端和邻近纤毛，而且以这种方式长度不变地联系着立体纤毛并形成镜面对称的纤毛束平面。当一个直角的作用对纤毛束形成镜面对称刺激时，几乎无法从毛细胞引出反应，原因在于这种刺激不会改变顶端连接的长度，即不会使纤毛束产生偏移。只有来自正向或反向推动作用才能拉长或缩短(紧张或松弛)顶端连接，顶端连接被拉长时，促进通道打开并引起毛细胞去极化反应，反向刺激使顶端连接松弛，转导通道关闭，引起毛细胞超极化。因此，这种直接的机械-电转导的离子门控机制是毛细胞反应迅速的关键所在。