哺乳動物的聲音感知依賴于耳蝸中的兩類毛細(xì)胞（hair cell，HC）——內(nèi)毛細(xì)胞（inner hair cell，IHC）和外毛細(xì)胞（outer hair cell，OHC）。它們頂部都具有纖毛結(jié)構(gòu)，聲音振動使纖毛發(fā)生偏轉(zhuǎn)并激活 OHC 和 IHC。其中，OHC 通過改變其細(xì)胞長度以發(fā)揮聲音放大器的作用，IHC 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 的人群受到不同程度聽力損傷，由遺傳突變、噪音及耳毒性藥物等導(dǎo)致的毛細(xì)胞死亡是感音性耳聾的重要因素之一。然而，哺乳類動物包括人類不具備再生修復(fù)毛細(xì)胞的能力。因此，深入研究 OHC 和 IHC 命運(yùn)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。
2025 年 1 月 30 日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）劉志勇團(tuán)隊(duì)（博士后孫雨薇為第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(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。
該項(xiàng)研究報(bào)道了鋅指轉(zhuǎn)錄因子 Casz1 在聽覺毛細(xì)胞（hair cell，HC）命運(yùn)穩(wěn)定與生存維持中的雙重作用，并解析了 Casz1 發(fā)揮功能的分子機(jī)制，為探索基因操縱修復(fù)聽覺損傷提供了新的思路和靶點(diǎn)。
圖1. 耳蝸聽覺上皮柯蒂式器（Organ of Corti）及纖毛結(jié)構(gòu)；（A）耳蝸柯蒂式器包含一排IHC和三排OHC及多種類型的支持細(xì)胞。（B）小鼠耳蝸HC掃描電子顯微鏡纖毛結(jié)構(gòu)，OHC的纖毛（紫色）呈現(xiàn)V或W型，IHC的纖毛（藍(lán)色）呈現(xiàn)“一”字形。
近年來的研究發(fā)現(xiàn)， Tbx2 是 IHC 命運(yùn)決定、分化和命運(yùn)維持的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，而 Insm1 和 Ikzf2 對于 OHC 的命運(yùn)維持、存活和功能至關(guān)重要。然而，耳蝸前體細(xì)胞最終如何發(fā)育為 OHC 和 IHC 的精確基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還知之甚少。例如，是否存在一類基因能夠同時調(diào)控 IHC 和 OHC 的命運(yùn)穩(wěn)定和存活尚不清楚。
劉志勇研究團(tuán)隊(duì)通過分析 OHC 和 IHC 的顯著差異表達(dá)基因，發(fā)現(xiàn)了一個物種間保守的鋅指轉(zhuǎn)錄因子 Casz1。其在胚胎晚期直至成年 IHC 中一直高表達(dá)，但只在胚胎晚期和幼年期 OHC 中瞬時表達(dá)（圖2左）。
研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性分析條件性 Casz1 敲除小鼠，發(fā)現(xiàn)在胚胎期缺失 Casz1 后，IHC 可以正常產(chǎn)生，但其細(xì)胞命運(yùn)狀態(tài)變的不穩(wěn)定，開始表達(dá) OHC 基因（例如Prestin）并逐步下調(diào) IHC 基因（例如vGlut3），最終完成 IHC 向 OHC 的命運(yùn)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生一類外毛細(xì)胞樣細(xì)胞（induced OHC like cells，iOHC）。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，出生后條件性敲除 Casz1，IHC 的發(fā)育不受影響或者影響甚微，這表明 Casz1 的核心作用在于胚胎階段，它如同“守護(hù)者”一般，確保 IHC 的命運(yùn)不偏離軌道，防止其轉(zhuǎn)變?yōu)?OHC（圖2右）。然而，在 OHC 中，Casz1 扮演的角色截然不同，其主要任務(wù)是維持 OHC 存活。盡管失去 Casz1 的 OHC 依然能夠完成早期發(fā)育，但隨著小鼠成長至成年，這些細(xì)胞會不可避免地開始死亡。由于 OHC 和 IHC 的異常，條件性 Casz1 敲除小鼠最終表現(xiàn)出嚴(yán)重的聽力障礙。
圖2. Casz1在耳蝸HC發(fā)育中的表達(dá)特征及其功能（左）Casz1在耳蝸HC中的表達(dá)模式。（右）Casz1早期條件性敲除導(dǎo)致IHC逐步轉(zhuǎn)化為iOHCs，以耳蝸頂部為例，有67.3%的IHC發(fā)生轉(zhuǎn)變。iOHC表達(dá)OHC分子標(biāo)記物Prestin，而下調(diào)IHC分子標(biāo)記物vGlut3。
為了深入探究 Casz1 調(diào)控毛細(xì)胞發(fā)育的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)借助全長單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)，對缺失 Casz1 后 OHC 和 IHC 的基因表達(dá)變化進(jìn)行了全面解析。進(jìn)一步通過遺傳學(xué)回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了轉(zhuǎn)錄因子 Gata3 是 Casz1 的重要下游效應(yīng)分子。Gata3 在 Casz1-/- IHC 中顯著下降，在 Casz1-/- 小鼠中回補(bǔ) Gata3, 可以有效抑制 Casz1-/- IHC 的異常和緩解 OHC 的死亡表型，最終實(shí)現(xiàn) Casz1-/- 小鼠聽覺功能的部分恢復(fù)（圖3）。
圖3. 耳蝸HC發(fā)育的基因調(diào)控機(jī)制示意圖；缺失Casz1導(dǎo)致IHC轉(zhuǎn)分化為iOHC并伴隨OHC死亡。Gata3作為Casz1的下游效應(yīng)分子，其過表達(dá)可緩解Casz1缺失引起的HC異常，并部分恢復(fù)小鼠聽力。Tbx2通過上位調(diào)節(jié) Casz1促進(jìn)IHC基因表達(dá)并抑制OHC基因表達(dá)，同時Casz1也可能間接調(diào)控Tbx2表達(dá)。
由于 Tbx2 被報(bào)道在 IHC 分化中發(fā)揮重要作用，而 Insm1 被報(bào)道在 OHC 分化早期發(fā)揮作用，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過小鼠體內(nèi)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明了 Tbx2 對 Casz1 發(fā)揮上位（epistatic）調(diào)控作用，過表達(dá) Tbx2 能徹底阻止 Casz1-/- IHC 向 OHC 轉(zhuǎn)分化。另外，該研究還證明了 Casz1-/- IHC 向 OHC 轉(zhuǎn)變的過程并不依賴于 Insm1，提示 Casz1 敲除介導(dǎo)的 IHC 向 OHC 的轉(zhuǎn)分化過程并不一定要完全重復(fù) OHC 正常的發(fā)育軌跡。
綜上所述，劉志勇研究團(tuán)隊(duì)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（IHC）的命運(yùn)穩(wěn)定，也發(fā)現(xiàn)了 Casz1 在纖毛發(fā)育和外毛細(xì)胞（OHC）存活中不可或缺的作用。該研究成果不僅為基礎(chǔ)聽覺科學(xué)研究領(lǐng)域增添了重要一環(huán)，也為未來促進(jìn)毛細(xì)胞再生及纖毛功能恢復(fù)提供了潛在基因靶點(diǎn)，將有望推動聽覺毛細(xì)胞損傷基因治療領(lǐng)域的發(fā)展，為聽力障礙患者帶來福音。
中國科學(xué)院腦智卓越中心劉志勇研究員為論文通訊作者，腦智卓越中心博士后孫雨薇為該論文的第一作者，博士生任旻蕙對轉(zhuǎn)錄組分析做出了重要貢獻(xiàn)，博士生羅正南、孫素紅、王廣琴和副高級實(shí)驗(yàn)師賀順姬對小鼠構(gòu)建做出了重要貢獻(xiàn)。博士生李書亭、張迪協(xié)助單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的濕實(shí)驗(yàn)和分析。上海交通大學(xué)第九人民醫(yī)院宋雷研究員及博士生張宇參與了OHC非線性膜電容分析，美國University of Utah (猶他大學(xué)) 人類遺傳學(xué)系的Suzanne L Mansour教授提供了重要的轉(zhuǎn)基因動物并協(xié)助論文撰寫和修改。該研究得到了中國科學(xué)院腦智卓越中心分子細(xì)胞技術(shù)平臺、光學(xué)成像平臺、電鏡平臺以及實(shí)驗(yàn)動物平臺（實(shí)驗(yàn)鼠房）的大力支持。該研究得到科技部、中國科學(xué)院、基金委和上海市的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4930
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