Einflussfaktoren auf die Prestin-Expression im Cortischen Organ der neugeborenen Ratte

Abstract

Die Sensitivität des Hörorgans von Menschen und Säugetieren ist stark von der Funktion der äußeren Haarzellen im Cortischen Organ abhängig. Sie amplifizieren die Geräusch-induzierten Vibrationen der Basilarmembran. Ihre Elektromotilität beruht auf dem Vorhandensein von Prestin, einem Protein das stark und exklusiv in der lateralen Wand der äußeren Haarzelle exprimiert wird. Die Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Regulation der Prestin- Expression und deren Wirkmechanismen erfordert ein experimentelles Modell. Frühere Untersuchungen zeigen, dass die Prestin-Expression in der organotypischen Kultur des Cortischen Organs der neugeborenen Ratte ähnlich wie in vivo erfolgt. Weiterhin ist bekannt, dass Hypoxie und Impulslärm die Expression von Prestin auf der mRNA-Ebene beeinflussen. Basierend auf der Assoziation von GATA-3-Mutationen und Hörverlust im Rahmen des HDR-Syndroms (Hypoparathyreodismus, Hörverlust, renale Dysplasien) und der Rolle, die die GATA-Transkriptionsfaktoren während der Innenohrentwicklung spielen, postulierten wir eine Beteiligung der GATA-Transkriptionsfaktoren bei der Regulation der mRNA-Expression von Prestin. Hierzu wurde die mRNA-Expression von Gata-3, Gata-2 und Gata-1 parallel zu der von Prestin während der frühen postnatalen Entwicklungsphase und in der organotypischen Kultur des Cortischen Organs von neugeborenen Ratten untersucht. Die Untersuchung der Genexpression erfordert ein geeignetes Bezugssystem; daher wurde die Eignung von TATA-Box- Binde-Protein (Tbp) als Referenzgen geprüft. Die Ergebnisse der methodischen Untersuchungen zeigen, dass die organotypische Kultur des Cortischen Organs von neugeborenen Ratten gut geeignet ist für die Untersuchung von Faktoren, die die Prestin-Expression beeinflussen. Tbp ist in vitro und in vivo als Referenzgen geeignet ist. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse zeigen bemerkenswerte Beziehungen zwischen Prestin und Gata-3 bzw. Gata-2 sowohl in vivo als auch in vitro: (1) Die mRNA-Expression von Gata-3 und Gata-2 zeigt einen dem Prestin ähnlichen Apikal-Basal-Gradienten. (2) Die mRNA-Expression von Gata-3 und Gata-2 steigt in der organotypischen Kultur an, während sie in vivo unverändert bleibt. Die Prestin-mRNA-Expression steigt vom zweiten bis zum achten postnatalen Tag um den Faktor 4 im apikalen und medialen Segment und um den Faktor 2 im basalen Segment. Die Korrelation zwischen Prestin- und Gata-3-mRNA-Gehalt ist hoch signifikant. (3) Unter dem Einfluss von L-Thyroxin, Retinsäure und Gemfibrozil konnten parallele Veränderungen im mRNA-Gehalt von Prestin und Gata-3 beobachtet werden. In ihrer Gesammtheit betrachtet, bekräftigen die vorliegenden Ergebnisse eine regulatorische Rolle von Gata-3 für die Prestin-Expression. Unsere Ergebnisse zeigen, dass T4 auch in vitro die Prestin-Expression beeinflusst. Weiterhin beobachteten wir einen Abfall der Prestin-mRNA-Expression nach zwei Tagen Kalium-induzierter Depolarisation (55 mM). In der organotypischen Kultur hatten weder die Wachstumsfaktoren IGF und TGF-β noch die untersuchten Neurotransmitter bzw. die adrenerge Substanz einen Einfluss auf die mRNA-Expression von Prestin und Gata-Transkriptionsfaktoren. In Anbetracht der engen Korrelation von Prestin- und Gata-3- bzw. Gata-2-mRNA-Expression stellen Substanzen und Bedingungen, die die Transkriptionsfaktoren Gata-3 und Gata-2 beeinflussen, auch potentielle Faktoren für die Expressionsveränderung von Prestin dar. So sollte geprüft werden, inwieweit Hörstörungen im Rahmen von bestimmten (Gata-3-assoziierten) immunologischen Erkrankungen auftreten. Außerdem muss geprüft werden, ob die Anwendung von T4, Retinsäure oder Gemfibrozil das Hörvermögen moduliert. Es ist gut möglich, dass eine chonische Lärmbelastung nicht ausschließlich zum Verlust von äußeren Haarzellen führt, sondern auch zu einer Verminderung der Prestin-Expression. Die vorliegenden Ergebnisse beziehen sich auf die In-Vivo-Entwicklung und die organotypische Kultur von neugeborenen Ratten. Ihre Aussagen bedürfen der Überprüfung der Ergebnisse in adulten Tieren, um Schlußfolgerungen für die Medizin zu ziehen.

The function of the outer hair cells of the organ of Corti is a key factor in ensuring the sensitivity of mammalian hearing. The outer hair cells are special mechanosensory cells, which amplify sound-induced vibrations of the basilar membrane. This electromotility is mainly the role of prestin, a protein highly and exclusively expressed in the outer hair cell membrane. To prove factors that have influence on the regulation of prestin expression we used the organotypic culture of the organ of Corti of newborn rats. We know from previous studies that hypoxia and impulse noise affect the expression of mRNA of prestin. Based on the association of mutations of GATA-3 with hearing loss in the HDR syndrome (hypoparathyroidism, deafness, renal defects) and the important role of GATA-transcription factors in inner ear development, we hypothesized that GATA-transcription factors may be involved in regulatory changes of prestin transcription. To prove this we studied the expression of mRNA of prestin and in parallel the expression of mRNA of Gata-3, Gata-2 and Gata-1 during early postnatal development and in the organotypic culture of the organ of Corti of newborn rats. The methodological investigations show the suitability (1) of the organotypic culture of the organ of Corti of newborn rats to prove factors that have influence on the regulation of prestin expression; (2) of TATA-Box binding protein as reference gene in vitro and in vivo. Remarkable relations are observed between prestin and Gata-3 and Gata-2 expression in vivo and in vitro: (1) Gata-3 and Gata-2 expression display similar apical-basal gradients as prestin. (2) Expression of Gata-3 and Gata-2 mRNA increases in the organotypic culture, in contrast it does not change in vivo. The prestin expression increases between postnatal day two and postnatal day eight by a factor of four in the apical and middle segments and by a factor of two in the basal segments. The correlation coefficients between Gata-3 and prestin mRNA levels are highly significant. (3) In response to thyroid hormone, retinoic acid and gemfibrozil application, parallel changes of prestin and Gata-3 mRNA levels were observed. These observations suggest a regulatory role played by Gata-3 in prestin expression. Application of T4 affects the prestin expression also in vitro. Increased extracellular potassium concentration (55 mM) induces a decrease in prestin expression. The data suggest that chronic noise exposure causes not only a loss of outer hair cells but also a decrease in prestin expression. In the organotypic the growth factors IGF and TGF-ß and the studied neurotransmitters have no effect on prestin and Gata-3 mRNA expression. The findings presented here are related to the in vivo development and organotypic culture of of newborn rats. They have to be verified in adult animals for further conclusions.