1月31日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心劉志勇研究組在《科學(xué)》（Science）上在線發(fā)表了題為Casz1 is required for both inner hair cell fate stabilization and outer hair cell survival的研究論文。該研究報道了鋅指轉(zhuǎn)錄因子Casz1在聽覺毛細(xì)胞命運穩(wěn)定與生存維持中的雙重作用，解析了Casz1發(fā)揮功能的分子機(jī)制，為研究基因操縱修復(fù)聽覺損傷提供了新的思路和靶點。

哺乳動物的聲音感知依賴于耳蝸中的內(nèi)毛細(xì)胞和外毛細(xì)胞兩類聽覺毛細(xì)胞。它們頂部均具有纖毛結(jié)構(gòu)，聲音振動使纖毛發(fā)生偏轉(zhuǎn)并激活外毛細(xì)胞和內(nèi)毛細(xì)胞。其中，外毛細(xì)胞通過改變其細(xì)胞長度以發(fā)揮聲音放大器的作用；內(nèi)毛細(xì)胞則是主要的聲音感受細(xì)胞，與螺旋神經(jīng)節(jié)形成突觸連接。全球約有1/5人群受到不同程度聽力損傷，遺傳突變、噪音和耳毒性藥物等導(dǎo)致的聽覺毛細(xì)胞死亡是感音性耳聾的重要因素之一。然而，哺乳類動物不具備再生修復(fù)聽覺毛細(xì)胞的能力。因此，研究外毛細(xì)胞和內(nèi)毛細(xì)胞命運決定和維持存活的分子機(jī)制，對幫助耳聾患者恢復(fù)聽覺功能具有重要的臨床意義。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，Tbx2是內(nèi)毛細(xì)胞命運決定、分化和命運維持的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，而Insm1和Ikzf2對于外毛細(xì)胞的命運維持、存活和功能至關(guān)重要。當(dāng)前，耳蝸前體細(xì)胞最終如何發(fā)育為外毛細(xì)胞和內(nèi)毛細(xì)胞的精確基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚不清楚。該團(tuán)隊分析了外毛細(xì)胞和內(nèi)毛細(xì)胞的顯著差異表達(dá)基因，發(fā)現(xiàn)了物種間保守的鋅指轉(zhuǎn)錄因子Casz1。Casz1在胚胎晚期至成年內(nèi)毛細(xì)胞中一直高表達(dá)，卻只在胚胎晚期和幼年期外毛細(xì)胞中瞬時表達(dá)。

該研究通過分析條件性Casz1敲除小鼠發(fā)現(xiàn)，在胚胎期缺失Casz1后，內(nèi)毛細(xì)胞可以正常產(chǎn)生，但其細(xì)胞命運狀態(tài)變得不穩(wěn)定，開始表達(dá)外毛細(xì)胞基因并逐步下調(diào)內(nèi)毛細(xì)胞基因，完成內(nèi)毛細(xì)胞向外毛細(xì)胞的命運轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生一類外毛細(xì)胞樣細(xì)胞。同時，研究顯示，出生后條件性敲除Casz1，內(nèi)毛細(xì)胞發(fā)育不受影響或影響甚微。這表明，Casz1的核心作用在于胚胎階段，如同“守護(hù)者”一般，確保內(nèi)毛細(xì)胞命運不偏離軌道，防止其轉(zhuǎn)變?yōu)橥饷?xì)胞。在外毛細(xì)胞中，Casz1的主要任務(wù)是維持內(nèi)毛細(xì)胞存活，發(fā)揮著不同作用。盡管失去Casz1的外毛細(xì)胞能夠完成早期發(fā)育，但隨著小鼠成長至成年，這些細(xì)胞開始死亡。由于外毛細(xì)胞和內(nèi)毛細(xì)胞異常，條件性Casz1敲除小鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的聽力障礙。

為探討Casz1調(diào)控聽覺毛細(xì)胞發(fā)育的分子機(jī)制，該研究借助全長單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)，解析缺失Casz1后外毛細(xì)胞和內(nèi)毛細(xì)胞的基因表達(dá)變化。進(jìn)一步，研究通過遺傳學(xué)回補(bǔ)實驗確認(rèn)轉(zhuǎn)錄因子Gata3是Casz1的重要下游效應(yīng)分子。研究顯示，Gata3在Casz1^-/-內(nèi)毛細(xì)胞中顯著下降，在Casz1^-/-小鼠中回補(bǔ)Gata3,?可抑制Casz1^-/-內(nèi)毛細(xì)胞的異常和緩解外毛細(xì)胞的死亡表型，實現(xiàn)Casz1^-/-小鼠聽覺功能的部分恢復(fù)。

研究發(fā)現(xiàn)，Tbx2在內(nèi)毛細(xì)胞分化中發(fā)揮重要作用，而Insm1在外毛細(xì)胞分化早期發(fā)揮作用。因此，研究通過小鼠體內(nèi)遺傳學(xué)實驗證明，Tbx2對Casz1發(fā)揮上位調(diào)控作用，過表達(dá)Tbx2能夠徹底阻止Casz1^-/-內(nèi)毛細(xì)胞向外毛細(xì)胞轉(zhuǎn)分化。進(jìn)而，研究表明，Casz1^-/-內(nèi)毛細(xì)胞向外毛細(xì)胞轉(zhuǎn)變的過程不依賴于Insm1，提示Casz1敲除介導(dǎo)的內(nèi)毛細(xì)胞向外毛細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化過程不一定完全重復(fù)外毛細(xì)胞正常的發(fā)育軌跡。

該團(tuán)隊通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、電生理記錄、電鏡、細(xì)胞功能分析和小鼠遺傳學(xué)模型等技術(shù)，首次解析了Casz1在聽覺毛細(xì)胞中的雙重作用，揭示了Tbx2-Casz1-Gata3轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路參與早期內(nèi)毛細(xì)胞的命運穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)了Casz1在纖毛發(fā)育和外毛細(xì)胞存活中重要作用。這一成果為基礎(chǔ)聽覺科學(xué)研究領(lǐng)域增添了重要一環(huán)，為未來促進(jìn)聽覺毛細(xì)胞再生與纖毛功能恢復(fù)提供了潛在基因靶點，有望推動聽覺毛細(xì)胞損傷基因治療領(lǐng)域的發(fā)展，為聽力障礙患者帶來治療新思路。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院及上海市的支持。

論文鏈接

耳蝸聽覺上皮柯蒂式器及纖毛結(jié)構(gòu)

Casz1在耳蝸聽覺毛細(xì)胞發(fā)育中的表達(dá)特征及功能

耳蝸聽覺毛細(xì)胞發(fā)育的基因調(diào)控機(jī)制示意圖

來源：中科院