果蝇的听觉系统与人类存在显著相似性。爱荷华大学的生物学家Daniel Eberl及其同事利用果蝇的“情歌”进行研究,发现听觉系统拥有类似汽车蓄电池的离子储存与释放机制。这项研究作为封面文章发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
对于听觉细胞等可兴奋细胞而言,离子稳态至关重要,这依赖于一种名为Na+/K+ ATPase的蛋白质(即钠钾泵)。该蛋白由α亚基和β亚基组成,负责将钠离子泵出细胞、钾离子泵入细胞,维持膜电位。研究人员发现,在果蝇耳部专门的支持细胞(scolopale细胞)中,这种钠泵高度表达。
在果蝇听觉系统中,scolopale细胞环绕着感觉末梢,形成密闭的细胞外隔室(scolopale space)。该隔室类似于蓄电池,需要先“充电”以积累离子,随后在声音刺激下释放离子。充电完成后,隔室释放的离子通过感觉末梢上的机械门控离子通道,这些通道由声音激活而短暂开启,产生听觉电信号。
果蝇的“情歌”是雄性果蝇通过翅膀振动发出的求偶声音。研究人员巧妙利用这一行为,在果蝇触须中插入微电极,播放求爱之歌并记录电反应,从而研究听觉系统的功能。
研究表明,钠泵在scolopale细胞中至关重要,负责向隔室补充正确的离子。若钠泵功能故障,果蝇将丧失听力。人类耳部也存在类似结构——中阶(scala media),其作用是为耳蜗毛细胞提供离子。果蝇与人类听觉系统的相似性提示,在果蝇模型中研究离子平衡机制,有助于深入理解人类听觉生理及听力障碍的病理机制。