Chromatin remodeling protein CHD4 regulates axon guidance of spiral ganglion neurons in developing cochlea

Het menselijk oor is een wonder van biologische techniek, maar het vermogen om te horen hangt af van een nauwkeurige bedrading die plaatsvindt nog voordat we geboren worden. Diep in de cochlea, het spiraalvormige orgaan dat verantwoordelijk is voor het vertalen van geluidsgolven in elektrische signalen, bevinden zich duizenden kleine zenuwcellen genaamd spiral ganglion-neuronen. Deze cellen fungeren als de telefoonlijnen van het auditieve systeem en dragen boodschappen van de haarcellen die geluid detecteren naar de hersenen. Om correct te functioneren, moeten deze neuronen hun lange, draadvormige uitlopers, bekend als axonen, langs zeer specifieke paden laten groeien. Sommigen moeten strak samen gebundeld worden om de binnenste haarcellen te bereiken, terwijl anderen een scherpe bocht moeten maken om verbinding te maken met de buitenste haarcellen. Als deze draden kruisen, verkeerd bundelen of niet op het juiste moment afbuigen, wordt de verbinding met de hersenen verbroken, wat leidt tot gehoorverlies. Decennialang begrepen wetenschappers de fysieke lay-out van deze verbindingen, maar de moleculaire instructies die bepalen wanneer en hoe de neuronen groeien, bleven een mysterie. Specifiek vroegen onderzoekers zich af hoe de interne machinerie van de cel, die controleert welke genen aan- of uitgeschakeld worden, ervoor zorgt dat deze delicate draden hun weg vinden zonder de weg kwijt te raken.

Een team onderzoekers aan de Rutgers University heeft nu een cruciaal stukje van deze puzzel ontrafeld, waarbij ze zich richtten op een eiwit genaamd CHD4. Dit eiwit fungeert als een meesterregulator, die op het DNA binnen de cel zit en helpt beslissen welke genetische instructies toegankelijk zijn. De wetenschappers ontdekten dat CHD4 essentieel is voor de juiste bedrading van de gehoorsnuis bij muizen. Wanneer zij het gen dat CHD4 produceert specifiek uit de ontwikkelende spiral ganglion-neuronen verwijderden, werden de dieren doof. Deze doofheid werd echter niet veroorzaakt door het afsterven van de zenuwcellen zelf; de neuronen waren levend en aanwezig in de juiste aantallen. In plaats daarvan was er sprake van een navigatieprobleem. Zonder CHD4 slaagden de zenuwvezels er niet in om hun beoogde routes te volgen. De bundels zenuwen die strak en compact zouden moeten zijn, werden los en verspreid, en de vezels die een scherpe bocht moesten maken om de buitenste haarcellen te bereiken, draaiden vaak de verkeerde kant op of namen een omwegen, inefficiënt pad.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, keken de onderzoekers naar de genetische activiteit binnen de neuronen. Ze ontdekten dat CHD4 normaal gesproken fungeert als een rem op een specifieke set genen die de groei van axonen sturen. Deze genen produceren signaalmoleculen die de zenuwvezels vertellen waar ze heen moeten. In een gezond oor houdt CHD4 de niveaus van deze signalen laag en gecontroleerd, waardoor de zenuwen op een gecoördineerde manier groeien. Wanneer CHD4 werd verwijderd, werd deze rem losgelaten. De niveaus van deze sturingssignalen schoten omhoog, maar niet uniform over alle cellen heen. In plaats daarvan veroorzaakte de verwijdering van CHD4 een chaotische toename van deze signalen, waarbij sommige neuronen er veel te veel produceerden terwijl anderen normale hoeveelheden produceerden. Deze inconsistentie creëerde een verwarrende omgeving voor de groeiende zenuwen, waardoor ze slecht bundelden en de weg kwijtraakten. De studie suggereert dat de precisie van ons gehoor afhangt van deze epigenetische "dimmer", die de expressie van sturingsmoleculen fijn afstemt om ervoor te zorgen dat elke zenuw exact zijn bestemming vindt.

De onderzoekers bevestigden deze bevindingen door de fysieke structuur van het binnenoor bij muizen zonder CHD4 te observeren. In een normaal oor vormen de zenuwvezels nette, parallelle bundels terwijl ze van het centrum van de cochlea naar de binnenste haarcellen reizen. In de muizen zonder CHD4 waren deze bundels breed en ongeorganiseerd, met gaten tussen de vezels. Op dezelfde manier werden de vezels die bestemd waren voor de buitenste haarcellen, die normaal gesproken een duidelijke bocht maken om langs de buitenrand van de cochlea te lopen, gezien terwijl ze doelloos ronddwaalden of de verkeerde kant op draaiden. De onderzoekers maten ook de elektrische reacties van de oren op geluid. De muizen zonder CHD4 vertoonden bijna geen reactie op geluid, met gehoordrempels die aanzienlijk hoger lagen dan normaal, wat bevestigde dat de ongeorganiseerde bedrading voorkwam dat de hersenen auditieve informatie ontvingen.

Door de bindingsplaatsen van CHD4 op het genoom in kaart te brengen, identificeerde het team dat dit eiwit zich direct hecht aan de regulatoire regio's van genen die betrokken zijn bij axongeleiding, met name die in de Eph- en ephrin-families. Deze genen staan bekend als cruciaal voor cel-celcommunicatie tijdens de ontwikkeling. De studie toonde aan dat CHD4 aan deze regio's bindt om hun activiteit te onderdrukken. Zonder CHD4 gaat de onderdrukking verloren, wat leidt tot een overvloed aan deze sturingssignalen. Deze overvloed verstoort de delicate balans die nodig is voor de zenuwen om te fasciculeren, ofwel samen te klonteren in strakke bundels, en om door het complexe terrein van de ontwikkelende binnenste oor te navigeren. Het onderzoek benadrukt dat gehoorverlies niet alleen kan voortkomen uit schade aan de sensorische cellen, maar ook uit fouten in de genetische programmering die de zenuwen naar die cellen leidt.

Dit werk verbindt een specifieke genetische mutatie met een bredere klasse van menselijke aandoeningen. Variaties in het menselijke CHD4-gen staan erom bekend Sifrim-Hitz-Weiss syndroom te veroorzaken, een stoornis die wordt gekenmerkt door ontwikkelingsachterstanden, intellectuele beperkingen en gehoorverlies. Hoewel het syndroom gepaard gaat met veel symptomen, biedt deze studie een duidelijk mechanisme voor het gehoorverliescomponent: een falen in de epigenetische regulatie van de zenuwbedrading. De bevindingen suggereren dat het gehoorverlies bij patiënten met dit syndroom waarschijnlijk te wijten is aan dezelfde misbedrading die bij de muizen werd waargenomen. De studie biedt geen genezing, maar verheldert het biologische pad dat fout gaat. Het onthult dat de ontwikkeling van het auditieve systeem afhankelijk is van een precieze, getimede onderdrukking van groeisignalen, een proces dat wordt beheerd door CHD4. Wanneer deze regulatie faalt, kan het ingewikkelde circuit van het oor niet worden gevormd, waardoor de hersenen losgekoppeld blijven van de wereld van geluid.