發(fā)布時(shí)間：2022-08-09
2022年8月9日，《National Science Review》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《內毛細胞發(fā)育和轉分化依賴(lài)Tbx2》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心劉志勇研究組完成。該研究揭示了轉錄因子Tbx2在耳蝸新生和成年內毛細胞 (inner hair cell, IHC)命運決定和轉分化中發(fā)揮重要功能；同時(shí)研究人員利用Tbx2與Atoh1共同異位表達，成功地將新生小鼠耳蝸支持細胞轉分化為表達功能蛋白vGlut3的內毛細胞 （或類(lèi)IHC），為感音性耳聾的臨床治療提供了新的理論基礎。
內毛細胞位于耳蝸聽(tīng)覺(jué)上皮（又稱(chēng)柯蒂氏器）內側，負責把聲音信號轉變?yōu)殡娦盘?，并傳遞到螺旋神經(jīng)節。因此，內毛細胞的先天發(fā)育異常和后天損傷均會(huì )引起嚴重的聽(tīng)力障礙。目前聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域內有三個(gè)重要問(wèn)題尚未解決：1）內毛細胞是如何分化成熟的？2）成熟內毛細胞的細胞命運是如何維持的？3）能否將耳蝸支持細胞轉變?yōu)槌墒斓?、有功能的內毛細胞?/span>
為了回答上述三個(gè)核心問(wèn)題，本項目研究人員首先利用單細胞轉錄組測序技術(shù)鑒定出Tbx2是一個(gè)在內毛細胞，而不在外毛細胞 (outer hair cell, OHC)表達的轉錄因子, 并在蛋白水平進(jìn)行耳蝸不同發(fā)育時(shí)期的原位驗證 (圖1A-E)。為進(jìn)一步研究Tbx2在內毛細胞中的正常生理功能，研究人員構建了Tbx2條件性基因敲除小鼠，發(fā)現內毛細胞在缺失Tbx2后，下調其功能蛋白基因vGlut3, 并開(kāi)始額外表達外毛細胞特異基因Prestin (圖1F-G)。另外，野生型和Tbx2 -/- IHC之間的單細胞轉錄組分析發(fā)現Tbx2 -/- IHC分別有862和442個(gè)基因顯著(zhù)上調和下調，其中上調的主要包括外毛細胞基因，而下調表達的則主要為內毛細胞基因。該結果進(jìn)一步證明Tbx2是調控內毛細胞正常分化的核心基因，缺失Tbx2后內毛細胞將不能進(jìn)行正常分化，反而命運轉變?yōu)橥饷毎?。因此?/span>Tbx2 -/- IHC也被稱(chēng)作induced OHCs (iOHCs)。Tbx2基因不僅在新生內毛細胞表達，而且其表達水平在成年內毛細胞保持穩定 (圖1D-E)。研究人員發(fā)現在成年小鼠成熟內毛細胞內敲除Tbx2后，可以誘導出類(lèi)似的命運轉變表型。因此，Tbx2不僅調控內毛細胞分化，而且也是維持成年內毛細胞細胞命運的關(guān)鍵基因。
圖1. IHC缺失Tbx2后轉變?yōu)?/span>iOHC。(A-C) 單細胞轉錄組分析顯示轉錄因子Tbx2表達在IHC，但不表達在OHC。（D-E）Tbx2蛋白（白色）在新生（P1）和成年（P30）均表達在IHC，但不表達在OHC。(F-G) IHC在敲除Tbx2后(黃色箭頭)，vGlut3表達下調，同時(shí)Prestin表達上調。（H）Tbx2調控和維持IHC細胞命運的模式圖。
非哺乳類(lèi)動(dòng)物如鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)在聽(tīng)覺(jué)毛細胞損傷后，其支持細胞可以迅速上調Atoh1, 再生出新的毛細胞從而完成聽(tīng)力修復。但是哺乳類(lèi)動(dòng)物喪失了這個(gè)再生能力。劉志勇研究組構建了一種新的小鼠模型 (圖2A)，可以實(shí)現在耳蝸支持細胞內特異表達Tbx2和Atoh1，并以29.5%的重編程效率將其成功轉分化表達功能蛋白vGlut3的內毛細胞(圖2B-C)。掃描電鏡分析也顯示新生內毛細胞具有和野生型內毛細胞類(lèi)似的纖毛分布特征 (圖2D-E)。該研究結果顯示Tbx2和Atoh1聯(lián)用產(chǎn)生的新生內毛細胞無(wú)論在數量上，還是在分化程度上，都較之前單獨Atoh1過(guò)表達有顯著(zhù)的提高。簡(jiǎn)而言之，該研究推動(dòng)了哺乳動(dòng)物耳蝸內毛細胞再生研究領(lǐng)域的進(jìn)展，為內毛細胞損傷引起的耳聾治療提供了新途徑。
圖2 Tbx2和Atoh1轉分化耳蝸支持細胞為vGlut3+的IHC。(A)新生小鼠耳蝸支持細胞轉分化為IHCs的示意圖。(B)對照組小鼠耳蝸支持細胞(主要是IBCs/IPhs)只表達紅色熒光蛋白，但不表達內毛細胞功能蛋白vGlut3 (白色箭頭)。(C)實(shí)驗組小鼠耳蝸支持細胞同時(shí)表達紅色熒光蛋白、Tbx2和Atoh1后轉變?yōu)?span lang="EN-US">vGlut3+ IHCs (黃色箭頭)。(D-E)掃描電鏡分析表明，與對照組相比(D)，實(shí)驗組小鼠(E)具有額外一排不連續的IHCs，這些IHCs頂部有纖毛形成（白色箭頭）。
該工作在聽(tīng)覺(jué)系統發(fā)育再生研究組劉志勇研究員的指導下，由助理研究員畢政鴻、副研究員李響和博士研究生任旻蕙共同完成。博士研究生顧云鵬、研究助理朱彤、博士研究生李書(shū)亭、王廣琴、孫素紅、孫雨薇對課題做出了重要貢獻。本研究在論文撰寫(xiě)過(guò)程中得到了腦智卓越中心蒲慕明研究員、杜久林研究員、何杰研究員以及北京大學(xué)于翔教授的指導。中科院腦智卓越中心電鏡技術(shù)平臺、光學(xué)成像平臺、分子細胞技術(shù)平臺以及實(shí)驗動(dòng)物平臺（實(shí)驗鼠房）予以本項目有力支持。該研究得到科技部、中國科學(xué)院、國家自然基金委員會(huì )和上海市的支持。
附件下載： 
