从命运维持到生存保障——解密听觉毛细胞发育的关键分子机制

从命运维持到生存保障——

解密听觉毛细胞发育的关键分子机制

--本期青科沙龙关键词--

Casz1              毛细胞

Tbx2            纤毛发育

活动介绍

基础听觉科学研究一直是肿瘤研究的热门方向，在调研了一线科研工作者的需求后，我们联系并邀请到了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心博士后孙雨薇作为讲者对其近期的一项研究进行分享，分享主题为从命运维持到生存保障——解密听觉毛细胞发育的关键分子机制。

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讲者

介

绍

孙雨薇，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(中科院神经所) 博士后。2023年于中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(中科院神经所)获理学博士学位。自研究生至博士后阶段，一直致力于研究内耳毛细胞与神经元发育的调控机制。近年来以第一作者在Science，Cell Reports，FASEB Journal和Current Opinion in Neurobiology期刊杂志发表论文四篇，博士后期间获得上海市超级博士后项目资助，并获得国家自然科学基金青年科学基金项目及中国博士后科学基金会的资助。

研究介绍

哺乳动物的声音感知依赖于耳蜗中的两类毛细胞（hair cell，HC）——内毛细胞（inner hair cell，IHC）和外毛细胞（outer hair cell，OHC）。它们顶部都具有纤毛结构，声音振动使纤毛发生偏转并激活 OHC 和 IHC。其中，OHC 通过改变其细胞长度以发挥声音放大器的作用，IHC 则是主要的声音感受细胞，与螺旋神经节形成突触连接。

全球约有 1/5 的人群受到不同程度听力损伤，由遗传突变、噪音及耳毒性药物等导致的毛细胞死亡是感音性耳聋的重要因素之一。然而，哺乳动物（包括人类）缺乏再生修复毛细胞的能力。因此，深入研究 OHC 和 IHC 命运决定和维持存活的分子机制，对于帮助耳聋患者恢复听觉功能具有重要的临床意义。

2025 年 1 月 30 日，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）刘志勇团队（博士后孙雨薇为第一作者）在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Casz1 is required for both inner hair cell fate stabilization and outer hair cell survival 的研究论文。该项研究报道了锌指转录因子 Casz1 在听觉毛细胞（hair cell，HC）命运稳定与生存维持中的双重作用，并解析了 Casz1 发挥功能的分子机制，为探索基因操纵修复听觉损伤提供了新的思路和靶点。

研究过程

近年来的研究发现， Tbx2是IHC命运决定、分化和命运维持的关键转录因子，而Insm1和Ikzf2对于OHC的命运维持、存活和功能至关重要。然而，科学界对耳蜗前体细胞最终如何发育为OHC和IHC的精确基因调控网络还知之甚少。例如，是否存在一类基因能够同时调控IHC和OHC的命运稳定和存活？研究团队通过分析OHC和IHC的显著差异表达基因，发现了一个物种间保守的锌指转录因子Casz1。其在胚胎晚期直至成年IHC中一直高表达，但只在胚胎晚期和幼年期OHC中瞬时表达。

耳蜗听觉上皮柯蒂式器（Organ of Corti）及纤毛结构

（左）耳蜗柯蒂式器包含一排IHC和三排OHC及多种类型的支持细胞。

（右）小鼠耳蜗HC扫描电子显微镜纤毛结构，OHC的纤毛（紫色）呈现V或W型，IHC的纤毛（蓝色）呈现“一”字形。

研究团队通过系统性分析条件性Casz1敲除小鼠，发现在胚胎期缺失Casz1后，IHC可以正常产生，但其细胞命运状态变得不稳定，开始表达OHC基因 (例如Prestin)并逐步下调IHC基因(例如vGlut3)，最终完成IHC向OHC的命运转变，产生一类外毛细胞样细胞（induced OHC like cells，iOHCs）。另外研究人员发现，出生后条件性敲除Casz1，IHC的发育不受影响或者影响甚微，这表明Casz1的核心作用在于胚胎阶段，它如同“守护者”一般，确保IHC的命运不偏离轨道，防止其转变为OHC。然而，在OHC中，Casz1扮演的角色截然不同，其主要任务是维持OHC存活。尽管失去Casz1的OHC依然能够完成早期发育，但随着小鼠成长至成年，这些细胞会不可避免地开始死亡。由于OHC和IHC的异常，条件性Casz1敲除小鼠最终表现出严重的听力障碍。

Casz1在耳蜗HC发育中的表达特征及其功能

（左）Casz1在耳蜗HC中的表达模式。

（右）Casz1早期条件性敲除导致IHC逐步转化为iOHCs，以耳蜗顶部为例，有67.3%的IHC发生转变。iOHC表达OHC分子标记物Prestin，而下调IHC分子标记物vGlut3。

为了深入探究Casz1调控HC发育的分子机制，研究团队借助单细胞全长转录组分析技术，对缺失Casz1后OHC和IHC的基因表达变化进行了全面解析。进一步通过遗传学回补实验确认了转录因子Gata3是Casz1的重要下游效应分子。Gata3在Casz1-/- IHC中显著下降，在Casz1-/- 小鼠中回补Gata3, 可以有效抑制Casz1-/- IHC的异常和缓解OHC的死亡表型，最终实现Casz1-/-小鼠听觉功能的部分恢复。

由于Tbx2被报道在IHC分化中发挥重要作用，而Insm1被报道在OHC分化早期发挥作用，研究团队进一步通过小鼠体内遗传学实验证明了Tbx2对Casz1发挥上位（epistatic）调控作用，过表达Tbx2能彻底阻止Casz1-/- IHC向OHC转分化。另外，研究团队也证明了Casz1-/- IHC向OHC转变的过程并不依赖于Insm1，提示Casz1敲除介导的IHC向OHC的转分化过程并不一定要完全重复OHC正常的发育轨迹。

耳蜗HC发育的基因调控机制示意图

缺失Casz1导致IHC转分化为iOHC并伴随OHC死亡。Gata3作为Casz1的下游效应分子，其过表达可缓解Casz1缺失引起的HC异常，并部分恢复小鼠听力。Tbx2通过上位调节 Casz1促进IHC基因表达并抑制OHC基因表达，同时Casz1也可能间接调控Tbx2表达。

综上，研究团队通过单细胞转录组、电生理记录、电镜、细胞功能分析以及小鼠遗传学模型等技术，首次揭示了Casz1在听觉毛细胞中的双重作用。研究发现，Tbx2-Casz1-Gata3转录调控通路参与了早期内毛细胞（IHC）命运的稳定，同时还发现Casz1在纤毛发育和外毛细胞（OHC）存活中发挥了不可或缺的作用。该研究不仅为基础听觉科学研究提供了重要的新发现，也为未来促进毛细胞再生和纤毛功能恢复提供了潜在的基因靶点，预示着听觉毛细胞损伤的基因治疗有望迎来突破，进而为听力障碍患者带来新的希望。

Casz1 is required for both inner hair cell fate stabilization and outer hair cell survival | Science

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