發布時間：2021-10-27 10:19:00
2021年9月3日，《eLife》期刊在線發表了《同時過表達Atoh1和Ikzf2促進成年耳蝸支持細胞轉分化為外毛細胞》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心劉志勇研究組完成。該研究首次實現了體內原位再生Prestin陽性的外毛細胞。
耳蝸外毛細胞是我們的聲音放大器，其特異表達的馬達蛋白Prestin（圖1A，綠色）能夠顯著提高我們對外界聲音感知的靈敏度。各種耳毒性藥物、噪音和衰老等因素均可以造成外毛細胞的損傷（圖1B）。低等非哺乳類動物的毛細胞損傷后，其周邊的支持細胞能夠轉分化產生新的毛細胞。但是，人類和其他哺乳類動物均喪失了自我再生毛細胞的能力，臨床上外毛細胞損傷最終會導致嚴重的聽力損傷。 Atoh1是耳蝸毛細胞發育過程的一個重要基因。雖然體內過表達Atoh1能把幼年小鼠支持細胞轉分化為毛細胞，遺憾的是其無法將成年支持細胞轉變為毛細胞（圖1C）。因此如何將小鼠成年支持細胞轉分化為毛細胞，尤其是表達Prestin、有功能的外毛細胞一直是聽覺領域的一個重要但懸而未決的科學問題。
Ikzf2是在耳蝸外毛細胞特異表達的一個基因，其功能突變導致外毛細胞發育障礙。劉志勇研究組提出一個研究假說：同時過表達Atoh1和Ikzf2能夠把成年小鼠支持細胞轉分化為Prestin陽性的外毛細胞。這個假說最終被實驗結果證實（圖1C-D）：雖然單獨Atoh1或者Ikzf2均不能轉分化成年小鼠支持細胞，但是Atoh1和Ikzf2一起可以成功地把成年小鼠支持細胞轉變為 Prestin陽性的外毛細胞（箭頭，圖1E-E”）。更令人鼓舞的是，Atoh1和Ikzf2協同轉分化效率在外毛細胞損傷的模型中大大提高，達到16%-29%。
圖1 成年耳蝸外毛細胞再生。（A）耳蝸有3排表達馬達蛋白Prestin的外毛細胞。（B）外毛細細胞損傷是臨床耳聾的一個重要原因。（C）單獨過表達Atoh1或者Ikzf2均不能轉分化成年耳蝸支持細胞，但是同時過表達它們可以產生Prestin+的新生外毛細胞，實現成年耳蝸支持細胞的轉分化。（D）成年外毛細胞再生體內實驗的示意圖。成年支持細胞在表達Atoh1和Ikzf2的同時，被標記為紅色，可以實現后續的譜系追蹤分析。（E-E”）箭頭所示為一新生外毛細胞，紅色代表其初始來源細胞為成年支持細胞，表達了Prestin馬達蛋白。
為了進一步確定新生外毛細胞的特征，劉志勇研究組進行了超高分辨率的掃描電鏡（圖2A和B）和單細胞轉錄組分析（圖2C和D）。研究顯示，新生的外毛細胞頂部不僅具有纖毛，而且其基因表達譜也與野生型外毛細胞相似（箭頭，圖2D），而與內耳其他類型的毛細胞有明顯的差別。簡而言之，研究人員首次在成年小鼠耳蝸內實現了轉分化支持細胞為Prestin陽性的外毛細胞，正如eLife期刊所述，這是耳蝸毛細胞再生領域的一個里程碑式的重要研究成果，其新生外毛細胞的成熟度大大超過了之前的研究，為臨床治療外毛細胞損傷提供了更深入的理論基礎。
該工作在聽覺系統發育再生研究組劉志勇研究員的指導下，主要由博士研究生孫素紅、李書亭和羅正南共同完成。博士研究生任旻蕙負責生物信息學分析；
博士研究生王廣琴和工作人員賀順姬參與了小鼠制備和分析。該研究工作得到了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心分子平臺、光學平臺、電鏡平臺以及實驗動物平臺的大力支持。該研究得到科技部、中國科學院、自然科學基金委、上海市和德國勃林格殷格翰醫藥公司等支持。
圖2 新生外毛細胞超微結構和轉錄組分析。（A）野生型外毛細胞頂部的纖毛呈V字形。（B）殺傷再生后的新生外毛細胞的纖毛形狀不規則。（C）結合手工分選和smartseq單細胞測序的辦法進行轉錄組分析。（D）轉錄組分析顯示新生外毛細胞（紫色箭頭）和新生野生型外毛細胞（P1_WT OHC）更接近。
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