1月31日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心劉志勇研究組在《科學》（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)揮功能的分子機制，為研究基因操縱修復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)毛細胞和外毛細胞兩類聽覺毛細胞。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)并激活外毛細胞和內(nèi)毛細胞。其中，外毛細胞通過改變其細胞長度以發(fā)揮聲音放大器的作用；內(nèi)毛細胞則是主要的聲音感受細胞，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致的聽覺毛細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聽覺毛細胞的能力。因此，研究外毛細胞和內(nèi)毛細胞命運決定和維持存活的分子機制，對幫助耳聾患者恢復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)毛細胞命運決定、分化和命運維持的關鍵轉(zhuǎn)錄因子，而Insm1和Ikzf2對于外毛細胞的命運維持、存活和功能至關重要。當前，耳蝸前體細胞最終如何發(fā)育為外毛細胞和內(nèi)毛細胞的精確基因調(diào)控網(wǎng)絡尚不清楚。該團隊分析了外毛細胞和內(nèi)毛細胞的顯著差異表達基因，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)毛細胞中一直高表達，卻只在胚胎晚期和幼年期外毛細胞中瞬時表達。
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)毛細胞可以正常產(chǎn)生，但其細胞命運狀態(tài)變得不穩(wěn)定，開始表達外毛細胞基因并逐步下調(diào)內(nèi)毛細胞基因，完成內(nèi)毛細胞向外毛細胞的命運轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生一類外毛細胞樣細胞。同時，研究顯示，出生后條件性敲除Casz1，內(nèi)毛細胞發(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“守護者”一般，確保內(nèi)毛細胞命運不偏離軌道，防止其轉(zhuǎn)變?yōu)橥饷毎Ｔ谕饷毎校珻asz1的主要任務是維持內(nèi)毛細胞存活，發(fā)揮著不同作用。盡管失去Casz1的外毛細胞能夠完成早期發(fā)育，但隨著小鼠成長至成年，這些細胞開始死亡。由于外毛細胞和內(nèi)毛細胞異常，條件性Casz1敲除小鼠表現(xiàn)出嚴重的聽力障礙。
為探討Casz1調(diào)控聽覺毛細胞發(fā)育的分子機制，該研究借助全長單細胞轉(zhuǎn)錄組分析技術，解析缺失Casz1后外毛細胞和內(nèi)毛細胞的基因表達變化。進一步，研究通過遺傳學回補實驗確認轉(zhuǎn)錄因子Gata3是Casz1的重要下游效應分子。研究顯示，Gata3在Casz1-/-內(nèi)毛細胞中顯著下降，在Casz1-/-小鼠中回補Gata3,?可抑制Casz1-/-內(nèi)毛細胞的異常和緩解外毛細胞的死亡表型，實現(xiàn)Casz1-/-小鼠聽覺功能的部分恢復。
研究發(fā)現(xiàn)，Tbx2在內(nèi)毛細胞分化中發(fā)揮重要作用，而Insm1在外毛細胞分化早期發(fā)揮作用。因此，研究通過小鼠體內(nèi)遺傳學實驗證明，Tbx2對Casz1發(fā)揮上位調(diào)控作用，過表達Tbx2能夠徹底阻止Casz1-/-內(nèi)毛細胞向外毛細胞轉(zhuǎn)分化。進而，研究表明，Casz1-/-內(nèi)毛細胞向外毛細胞轉(zhuǎn)變的過程不依賴于Insm1，提示Casz1敲除介導的內(nèi)毛細胞向外毛細胞的轉(zhuǎn)分化過程不一定完全重復外毛細胞正常的發(fā)育軌跡。
該團隊通過單細胞轉(zhuǎn)錄組、電生理記錄、電鏡、細胞功能分析和小鼠遺傳學模型等技術，首次解析了Casz1在聽覺毛細胞中的雙重作用，揭示了Tbx2-Casz1-Gata3轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路參與早期內(nèi)毛細胞的命運穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)了Casz1在纖毛發(fā)育和外毛細胞存活中重要作用。這一成果為基礎聽覺科學研究領域增添了重要一環(huán)，為未來促進聽覺毛細胞再生與纖毛功能恢復提供了潛在基因靶點，有望推動聽覺毛細胞損傷基因治療領域的發(fā)展，為聽力障礙患者帶來治療新思路。
研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院及上海市的支持。
論文鏈接
耳蝸聽覺上皮柯蒂式器及纖毛結(jié)構(gòu)
Casz1在耳蝸聽覺毛細胞發(fā)育中的表達特征及功能
耳蝸聽覺毛細胞發(fā)育的基因調(diào)控機制示意圖
本文鏈接：研究破解耳蝸聽覺毛細胞發(fā)育“基因密碼”http://www.www.hxg123.cn/show-12-695-0.html
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