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脑智卓越中心发现耳蜗内毛细胞发育和转分化依赖转录因子Tbx2

2022-08-10 脑科学与智能技术卓越创新中心
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  8月9National Science Review在线发表了题为《内毛细胞发育和转分化依赖Tbx2》的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心刘志勇研究组完成。该研究揭示了转录因子Tbx2在耳蜗新生和成年内毛细胞(inner hair cell,IHC)命运决定和转分化中的重要功能;利用Tbx2Atoh1共同异位表达,将新生小鼠耳蜗支持细胞转分化为表达功能蛋白vGlut3的内毛细胞或类IHC),为感音性耳聋的临床治疗奠定了新的理论基础。  

  内毛细胞位于耳蜗听觉上皮(又称柯蒂氏器)内侧,负责将声音信号转变为电信号,并传递到螺旋神经节。因此,内毛细胞的先天发育异常和后天损伤均会引起严重的听力障碍。目前,听觉领域内有三个重要问题尚未解决:内毛细胞如何分化成熟?成熟内毛细胞的细胞命运如何维持?能否将耳蜗支持细胞转变为成熟的、有功能的内毛细胞?  

  为了回答上述问题,研究利用单细胞转录组测序技术鉴定出Tbx2是一个在内毛细胞而不在外毛细胞(outer hair cell,OHC)表达的转录因子, 并在蛋白水平进行耳蜗不同发育时期的原位验证1A-E)。为进一步探究Tbx2在内毛细胞中的正常生理功能,研究构建了Tbx2条件性基因敲除小鼠,发现内毛细胞在缺失Tbx2后,下调其功能蛋白基因vGlut3,并开始额外表达外毛细胞特异基因Prestin(1F-G)。另外,野生型和Tbx2 -/- IHC之间的单细胞转录组分析发现Tbx2 -/-  IHC分别有862442个基因显著上调和下调,其中上调的主要包括外毛细胞基因,而下调表达的则主要为内毛细胞基因。研究进一步证明,Tbx2是调控内毛细胞正常分化的核心基因,缺失Tbx2后内毛细胞将不能进行正常分化,反而命运转变为外毛细胞。因此,Tbx2 -/-  IHC被称作induced OHCs(iOHCs)Tbx2基因在新生内毛细胞表达,且其表达水平在成年内毛细胞保持稳定1D-E)。研究显示,在成年小鼠成熟内毛细胞内敲除Tbx2后,可以诱导出类似的命运转变表型。因而Tbx2不仅调控内毛细胞分化,而且也是维持成年内毛细胞细胞命运的关键基因。 

  非哺乳类动物如鸟类、鱼类在听觉毛细胞损伤后,其支持细胞可以迅速上调Atoh1,再生出新的毛细胞从而完成听力修复。然而,哺乳类动物丧失了这一再生能力。刘志勇研究组构建了新的小鼠模型(2A),可实现在耳蜗支持细胞内特异表达Tbx2Atoh1,并以29.5%的重编程效率将其转分化表达功能蛋白vGlut3的内毛细胞2B-C)。扫描电镜分析显示,新生内毛细胞具有和野生型内毛细胞类似的纤毛分布特征2D-E)。研究显示,Tbx2Atoh1联用产生的新生内毛细胞在数量上、分化程度上,均较之前单独Atoh1过表达有显著的提高。该研究推动了哺乳动物耳蜗内毛细胞再生研究领域的进展,并为内毛细胞损伤引起的耳聋治疗提供了新途径。  

  研究工作得到科技部、中科院、国家自然基金和上海市的支持,获得脑智卓越中心电镜技术平台、光学成像平台、分子细胞技术平台、实验动物平台(实验鼠房)的支持,并得到脑智卓越中心研究员蒲慕明、杜久林、何杰以及北京大学教授于翔的指导。 

  图1.IHC缺失Tbx2后转变为iOHC。(A-C)单细胞转录组分析显示转录因子Tbx2表达在IHC,但不表达在OHC;(D-ETbx2蛋白(白色)在新生(P1)和成年(P30)均表达在IHC,但不表达在OHC(F-G)IHC在敲除Tbx2黄色箭头vGlut3表达下调,同时Prestin表达上调;(HTbx2调控和维持IHC细胞命运的模式图。 

  2.Tbx2Atoh1转分化耳蜗支持细胞为vGlut3+IHC。(A)新生小鼠耳蜗支持细胞转分化为IHCs的示意图;(B)对照组小鼠耳蜗支持细胞主要是IBCs/IPhs)只表达红色荧光蛋白,但不表达内毛细胞功能蛋白vGlut3(白色箭头);(C)实验组小鼠耳蜗支持细胞同时表达红色荧光蛋白、Tbx2Atoh1后转变为vGlut3+ IHCs(黄色箭头);(D-E)扫描电镜分析表明,与对照组相比(D),实验组小鼠(E)具有额外一排不连续的IHCs,这些IHCs顶部有纤毛形成(白色箭头)。 

打印 责任编辑:侯茜
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