哺乳動(dòng)物的聲音感知依賴(lài)于耳蝸中的兩類(lèi)毛細胞（hair cell，HC）——內毛細胞（inner hair cell，IHC）和外毛細胞（outer hair cell，OHC）。它們頂部都具有纖毛結構，聲音振動(dòng)使纖毛發(fā)生偏轉并激活 OHC 和 IHC。其中，OHC 通過(guò)改變其細胞長(cháng)度以發(fā)揮聲音放大器的作用，IHC 則是主要的聲音感受細胞，與螺旋神經(jīng)節形成突觸連接。
全球約有 1/5 的人群受到不同程度聽(tīng)力損傷，由遺傳突變、噪音及耳毒性藥物等導致的毛細胞死亡是感音性耳聾的重要因素之一。然而，哺乳類(lèi)動(dòng)物包括人類(lèi)不具備再生修復毛細胞的能力。因此，深入研究 OHC 和 IHC 命運決定和維持存活的分子機制，對幫助耳聾患者恢復聽(tīng)覺(jué)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）劉志勇團隊（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。
該項研究報道了鋅指轉錄因子 Casz1 在聽(tīng)覺(jué)毛細胞（hair cell，HC）命運穩定與生存維持中的雙重作用，并解析了 Casz1 發(fā)揮功能的分子機制，為探索基因操縱修復聽(tīng)覺(jué)損傷提供了新的思路和靶點(diǎn)。
圖1. 耳蝸聽(tīng)覺(jué)上皮柯蒂式器（Organ of Corti）及纖毛結構；（A）耳蝸柯蒂式器包含一排IHC和三排OHC及多種類(lèi)型的支持細胞。（B）小鼠耳蝸HC掃描電子顯微鏡纖毛結構，OHC的纖毛（紫色）呈現V或W型，IHC的纖毛（藍色）呈現“一”字形。
近年來(lái)的研究發(fā)現， Tbx2 是 IHC 命運決定、分化和命運維持的關(guān)鍵轉錄因子，而 Insm1 和 Ikzf2 對于 OHC 的命運維持、存活和功能至關(guān)重要。然而，耳蝸前體細胞最終如何發(fā)育為 OHC 和 IHC 的精確基因調控網(wǎng)絡(luò )還知之甚少。例如，是否存在一類(lèi)基因能夠同時(shí)調控 IHC 和 OHC 的命運穩定和存活尚不清楚。
劉志勇研究團隊通過(guò)分析 OHC 和 IHC 的顯著(zhù)差異表達基因，發(fā)現了一個(gè)物種間保守的鋅指轉錄因子 Casz1。其在胚胎晚期直至成年 IHC 中一直高表達，但只在胚胎晚期和幼年期 OHC 中瞬時(shí)表達（圖2左）。
研究團隊通過(guò)系統性分析條件性 Casz1 敲除小鼠，發(fā)現在胚胎期缺失 Casz1 后，IHC 可以正常產(chǎn)生，但其細胞命運狀態(tài)變的不穩定，開(kāi)始表達 OHC 基因（例如Prestin）并逐步下調 IHC 基因（例如vGlut3），最終完成 IHC 向 OHC 的命運轉變，產(chǎn)生一類(lèi)外毛細胞樣細胞（induced OHC like cells，iOHC）。研究團隊還發(fā)現，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“守護者”一般，確保 IHC 的命運不偏離軌道，防止其轉變?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(zhù)小鼠成長(cháng)至成年，這些細胞會(huì )不可避免地開(kāi)始死亡。由于 OHC 和 IHC 的異常，條件性 Casz1 敲除小鼠最終表現出嚴重的聽(tīng)力障礙。
圖2. Casz1在耳蝸HC發(fā)育中的表達特征及其功能（左）Casz1在耳蝸HC中的表達模式。（右）Casz1早期條件性敲除導致IHC逐步轉化為iOHCs，以耳蝸?lái)敳繛槔?，?7.3%的IHC發(fā)生轉變。iOHC表達OHC分子標記物Prestin，而下調IHC分子標記物vGlut3。
為了深入探究 Casz1 調控毛細胞發(fā)育的分子機制，研究團隊借助全長(cháng)單細胞轉錄組分析技術(shù)，對缺失 Casz1 后 OHC 和 IHC 的基因表達變化進(jìn)行了全面解析。進(jìn)一步通過(guò)遺傳學(xué)回補實(shí)驗確認了轉錄因子 Gata3 是 Casz1 的重要下游效應分子。Gata3 在 Casz1-/- IHC 中顯著(zhù)下降，在 Casz1-/- 小鼠中回補 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 Casz1-/- 小鼠聽(tīng)覺(jué)功能的部分恢復（圖3）。
圖3. 耳蝸HC發(fā)育的基因調控機制示意圖；缺失Casz1導致IHC轉分化為iOHC并伴隨OHC死亡。Gata3作為Casz1的下游效應分子，其過(guò)表達可緩解Casz1缺失引起的HC異常，并部分恢復小鼠聽(tīng)力。Tbx2通過(guò)上位調節 Casz1促進(jìn)IHC基因表達并抑制OHC基因表達，同時(shí)Casz1也可能間接調控Tbx2表達。
由于 Tbx2 被報道在 IHC 分化中發(fā)揮重要作用，而 Insm1 被報道在 OHC 分化早期發(fā)揮作用，研究團隊進(jìn)一步通過(guò)小鼠體內遺傳學(xué)實(shí)驗證明了 Tbx2 對 Casz1 發(fā)揮上位（epistatic）調控作用，過(guò)表達 Tbx2 能徹底阻止 Casz1-/- IHC 向 OHC 轉分化。另外，該研究還證明了 Casz1-/- IHC 向 OHC 轉變的過(guò)程并不依賴(lài)于 Insm1，提示 Casz1 敲除介導的 IHC 向 OHC 的轉分化過(guò)程并不一定要完全重復 OHC 正常的發(fā)育軌跡。
綜上所述，劉志勇研究團隊通過(guò)單細胞轉錄組、電生理記錄、電鏡、細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(tīng)覺(jué)毛細胞中的雙重作用，揭示了 Tbx2-Casz1-Gata3 轉錄調控通路參與早期內毛細胞（IHC）的命運穩定，也發(fā)現了 Casz1 在纖毛發(fā)育和外毛細胞（OHC）存活中不可或缺的作用。該研究成果不僅為基礎聽(tīng)覺(jué)科學(xué)研究領(lǐng)域增添了重要一環(huán)，也為未來(lái)促進(jìn)毛細胞再生及纖毛功能恢復提供了潛在基因靶點(diǎn)，將有望推動(dòng)聽(tīng)覺(jué)毛細胞損傷基因治療領(lǐng)域的發(fā)展，為聽(tīng)力障礙患者帶來(lái)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，博士生任旻蕙對轉錄組分析做出了重要貢獻，博士生羅正南、孫素紅、王廣琴和副高級實(shí)驗師賀順姬對小鼠構建做出了重要貢獻。博士生李書(shū)亭、張迪協(xié)助單細胞轉錄組的濕實(shí)驗和分析。上海交通大學(xué)第九人民醫院宋雷研究員及博士生張宇參與了OHC非線(xiàn)性膜電容分析，美國University of Utah (猶他大學(xué)) 人類(lèi)遺傳學(xué)系的Suzanne L Mansour教授提供了重要的轉基因動(dòng)物并協(xié)助論文撰寫(xiě)和修改。該研究得到了中國科學(xué)院腦智卓越中心分子細胞技術(shù)平臺、光學(xué)成像平臺、電鏡平臺以及實(shí)驗動(dòng)物平臺（實(shí)驗鼠房）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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