劉志勇組解析Tbx2決定耳蝸毛細胞命運選擇的分子機制

文章來(lái)源:腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心  |  發(fā)布時(shí)間:2024-06-07  |  【打印】 【關(guān)閉

  

?????2024年 6 月 5日,The Journal of Neuroscience》期刊以封面文章在線(xiàn)發(fā)表了題為《Tbx2在不同年齡轉分化耳蝸外毛細胞命運》的研究論文,該研究由中國科學(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)、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室劉志勇研究組完成。該研究探究了轉錄因子Tbx2(內毛細胞發(fā)育的關(guān)鍵因子)過(guò)表達能否轉分化不同發(fā)育階段的小鼠耳蝸外毛細胞及其前體細胞,以及其轉分化的程度。同時(shí)研究人員還探討了Tbx2與外毛細胞發(fā)育成熟相關(guān)的關(guān)鍵轉錄因子Ikzf2之間的相互拮抗的作用機制,為深入理解耳蝸內、外毛細胞命運決定的作用機制提供了新的理論基礎。

Tbx2耳蝸內毛細胞命運決定、分化和命運維持的關(guān)鍵因子,Tbx2功能缺失導致內毛細胞轉分化為外毛細胞。目前,聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域內仍有幾個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題亟待澄清:1)過(guò)表達Tbx2能否轉分化外毛細胞到內毛細胞?2)Tbx2轉分化外毛細胞是否具有年齡依賴(lài)性?3)外毛細胞中過(guò)表達Tbx2是否可以完全轉分化為內毛細胞?4)Tbx2轉分化外毛細胞為內毛細胞的分子機制是什么?

為了回答以上4個(gè)問(wèn)題,研究人員構建了Tbx2條件性過(guò)表達小鼠模型(簡(jiǎn)稱(chēng)Tbx2OE),然后分別在新生小鼠和成年小鼠耳蝸外毛細胞中過(guò)表達Tbx2,發(fā)現均可以把外毛細胞轉分化為內毛細胞樣的細胞,并表達內毛細胞的標記物vGlut3、Slc7a14和Otoferlin,同時(shí)伴隨外毛細胞標記物Prestin的漸進(jìn)性消失,說(shuō)明外毛細胞對Tbx2的響應不受年齡的影響。在胚胎期外毛細胞前體細胞中過(guò)表達Tbx2則直接產(chǎn)生內毛細胞標記物Fgf8+和vGlut3+的內毛細胞樣細胞,無(wú)Bcl11b和Prestin表達(圖1)。同時(shí),掃描電子顯微鏡結果顯示,外毛細胞前體細胞過(guò)表達Tbx2產(chǎn)生的類(lèi)內毛細胞的靜纖毛束與內源性?xún)让毎嗨疲▓D1),說(shuō)明細胞發(fā)育狀態(tài)越早、細胞可塑性越高,對Tbx2的響應作用越強。

圖1. 過(guò)表達Tbx2導致外毛細胞前體細胞分化發(fā)育為與內源性?xún)让毎嗨频念?lèi)內毛細胞。外毛細胞前體細胞過(guò)表達Tbx2,產(chǎn)生Fgf8+/ vGlut3+/Bcl11b-/Prestin-的類(lèi)內毛細胞(D-D’’’和F-F’’’),而對照組中則為Bcl11b+/Prestin+/Fgf8-/ vGlut3-的外毛細胞(C-C’’’和E-E’’’);掃描電子顯微鏡檢測結果顯示對照組(G)中外毛細胞靜纖毛束為“V”字形,而實(shí)驗組(H)中在相應區域產(chǎn)生的類(lèi)內毛細胞靜纖毛束和內源性?xún)让毎恢?,呈“一”字形。黃色箭頭表示轉分化的類(lèi)內毛細胞,藍色三角形指示內源性?xún)让毎?/span>

為了進(jìn)一步探索Tbx2轉分化外毛細胞為內毛細胞的分子機理,研究人員通過(guò)單細胞Smart-seq對類(lèi)內毛細胞、內源性外毛細胞和內源性?xún)让毎M(jìn)行比較分析,發(fā)現在類(lèi)內毛細胞中有85.6%的內毛細胞特異表達基因出現上調,同時(shí)38.6%的外毛細胞特異表達基因出現下調,提示Tbx2不能使外毛細胞完全轉分化為內毛細胞。研究人員發(fā)現外毛細胞發(fā)育成熟關(guān)鍵因子編碼基因Ikzf2受到Tbx2的負調控,推測Ikzf2可能與Tbx2存在于相同的細胞命運調控通路,并位于Tbx2的下游,且行使與Tbx2相反的生物學(xué)功能。為了進(jìn)一步證實(shí)該推測,研究人員構建了在外毛細胞中同時(shí)過(guò)表達Ikzf2和Tbx2的小鼠模型(簡(jiǎn)稱(chēng)Slc26a5-Tbx2-Ikzf2),確定了Ikzf2對Tbx2的生物學(xué)功能具有明顯的拮抗作用(圖2)。該研究揭示了Tbx2-Ikzf2模塊對耳蝸毛細胞命運抉擇的調控機制,為將來(lái)深入解析該網(wǎng)絡(luò )調控通路奠定了扎實(shí)的研究基礎。

2. 在外毛細胞中Ikzf2對Tbx2發(fā)揮了相反的生物學(xué)功能。(A-C’’’)分別為陰性對照組(A-A’’’)、Tbx2OE(B-B’’’)和OHCs-Tbx2OE-Ikzf2OE(C-C’’’)耳蝸毛細胞vGlut3、Prestin和tdTomato免疫組織化學(xué)分析;在OHCs-Tbx2OE中tdTomato+細胞的vGlut3表達水平與內源性?xún)让毎喈敚ㄉ踔谅愿哂趦仍葱詢(xún)让毎?,而Prestin則完全消失;相反,OHCs-Tbx2OE-Ikzf2OE中EGFP+的大部分外毛細胞中vGlut3信號受到嚴重的抑制,同時(shí)Prestin信號則仍有微弱的表達,說(shuō)明Ikzf2對Tbx2的生物學(xué)功能具有拮抗作用;藍色和黃色箭頭分別指示內源性外毛細胞、Prestin+(弱)/vGlut3- (#1)和vGlut3+(弱)/Prestin-(#2)的細胞。(D)Ikzf2拮抗外毛細胞中Tbx2生物學(xué)功能的示意圖。

?????中國科學(xué)院腦智卓越中心劉志勇研究員和副研究員李響為該論文的共同通訊作者,副研究員畢政鴻為第一作者,腦智卓越中心博士研究生任旻蕙、高級實(shí)驗師賀順姬及上海交通大學(xué)第九人民醫院張宇博士做了重要貢獻。同時(shí)上海交通大學(xué)第九人民醫院宋雷教授對本課題電生理內容給予了重要的指導。中國科學(xué)院腦智卓越中心光學(xué)平臺、電鏡平臺、分子細胞技術(shù)平臺和嚙齒類(lèi)實(shí)驗動(dòng)物平臺提供了重要技術(shù)支持。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、科技部、上海市科委和中國科學(xué)院的資助。