發布時間：2023-05-12 14:04:00
2023年5月11日，《Cell Reports》期刊在線發表了題為《Epistatic genetic interactions between Insm1 and Ikzf2 during cochlear outer hair cell development》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劉志勇研究組完成。該研究解析了小鼠耳蝸外毛細胞(outer hair cell, OHC)中兩個核心轉錄因子Insm1和Ikzf2之間的遺傳學層級關系，為進一步理解耳蝸外毛細胞的命運決定和維持的分子機制提供了新的理論基礎，也為耳蝸外毛細胞的再生修復提供了新的思路。
外毛細胞位于耳蝸聽覺上皮（又稱柯蒂氏器），是聲音放大器。外毛細胞的機械運動激活內毛細胞，從而把聲音信息傳遞到聽覺神經元。外毛細胞的先天發育異常和各種耳毒性或者衰老引起的后天損傷均會引起嚴重的聽力損傷。目前臨床上尚無有效的方法對外毛細胞損傷進行功能性修復。因此，解析外毛細胞的命運決定和分化的分子機制對未來再生修復外毛細胞損傷至關重要。在外毛細胞分化的早期，轉錄因子Insm1瞬時且特異表達。在外毛細胞分化的晚期和成年，轉錄因子Ikzf2開始并永久表達。Insm1和Ikzf2基因突變均可以引起外毛細胞發育和功能異常，但兩者之間的相互作用關系至今尚未可知。
在該研究中，研究人員利用小鼠遺傳學方法解析了Insm1和Ikzf2在小鼠耳蝸外毛細胞發育過程中的相互關系。首先，研究人員在小鼠毛細胞中異位過表達Insm1，發現在小鼠出生后第7天（P7）時，Ikzf2和外毛細胞另外一個特異基因Prestin均可在內毛細胞中被活化。這表明Insm1可以誘導Ikzf2的異位表達（圖一）。第二，在幼年（P5）Insm1條件性敲除的小鼠中, Ikzf2的起始表達不受影響，但是在成年Insm1條件性敲除的小鼠中，Ikzf2的表達在部分外毛細胞中消失。這表明Insm1為調控Ikzf2的上游轉錄因子。雖然Insm1的敲除對Ikzf2的表達起始無影響，但是Insm1是Ikzf2在外毛細胞中持續性表達進而維持外毛細胞成熟特性的關鍵。
圖一：Insm1誘導Ikzf2的異位表達。（A-B’’’）對P7的對照組（A-A’’’）和Insm1過表達實驗組（B-B’’’）進行外毛細胞標記基因Prestin、Ikzf2（帶V5標簽）和內毛細胞標記基因vGlut3的免疫組化染色。箭頭指示一顆內毛細胞由于Insm1的異位表達而產生了Prestin和Ikzf2。（C）統計實驗組耳蝸底圈（base）、中圈（middle）和頂圈（apex）中Prestin陽性的內毛細胞比例。（D）統計實驗組耳蝸底圈、中圈和頂圈中Ikzf2陽性的內毛細胞比例。（E）示意圖簡略勾畫了異位表達Insm1之后的細胞變化。
為進一步驗證Ikzf2是Insm1下游的關鍵因子，研究人員在小鼠Insm1-/-外毛細胞中回補外源性Ikzf2。Insm1-/-外毛細胞喪失了其本來的分子（Prestin）和形態學(V形的纖毛)的特征，這些特征能被外源性Ikzf2部分恢復（圖二）。為進一步驗證Ikzf2與Insm1在外毛細胞發育過程中屬于同一通路，研究人員將Insm1和Ikzf2在小鼠耳蝸中同時敲除。實驗結果表明，在Insm1和Ikzf2同時缺失后，小鼠耳蝸外毛細胞的發育異常表型與Insm1的單獨敲除沒有顯著性差異。上述小鼠遺傳學的實驗結果準確地闡明了在小鼠耳蝸外毛細胞發育過程中轉錄因子Insm1和Ikzf2的上下游關系，為深入理解外毛細胞分化的分子機制和外毛細胞的再生修復損提供了新的實驗依據。
圖二：外源性Ikzf2可以部分回補Insm1敲除后表型。（A-C’’’） 對P30的對照組（A-A’’’），Insm1單獨敲除的實驗組（B-B’’’），Insm1敲除Ikzf2過表達的實驗組（C-C’’’）進行外毛細胞標記基因Prestin、Ikzf2（帶V5標簽）和內毛細胞標記基因vGlut3的免疫組化染色。（B-B’’’）中的箭頭指示一顆轉分化的毛細胞；（C-C’’’）箭頭指示一顆外毛細胞表達微弱的vGlut3信號，三角形指示一顆只表達Prestin不表達vGlut3的外毛細胞。（D-E）在Insm1單獨敲除和敲除并過表達Ikzf2的實驗組中，vGlut3陽性外毛細胞細胞（D）和Prestin陽性的外毛細胞（E）的占比。（F）示意圖表示外源性Ikzf2可以部分回補Insm2敲除后導致的外毛細胞向內毛細胞的轉分化表型。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心劉志勇研究員為該論文的通訊作者；腦智卓越中心博士研究生李書亭為該論文的第一作者；高級實驗師賀順姬，實驗員陸穎，暨南大學賈世奇研究員對本課題也做出了重要貢獻。中科院腦智卓越中心光學成像平臺及實驗動物平臺（實驗鼠房）予以本項目有力支持。該研究得到科技部、中國科學院、國家自然基金委員會和上海市的支持。
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