2025年1月31日，《Science》期刊在線發(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，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經科學研究所）劉志勇研究組完成。該項研究報道了鋅指轉錄因子Casz1在聽覺毛細胞（hair cell, HC）命運穩(wěn)定與生存維持中的雙重作用，并解析了Casz1發(fā)揮功能的分子機制，為探索基因操縱修復聽覺損傷提供了新的思路和靶點。

哺乳動物的聲音感知依賴于耳蝸中的兩類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，聲音振動使纖毛發(fā)生偏轉并激活OHC和IHC（圖1）。其中OHC通過改變其細胞長度以發(fā)揮聲音放大器的作用，IHC則是主要的聲音感受細胞，與螺旋神經節(jié)形成突觸連接。全球約有1/5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致的HC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HC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覺功能具有重要的臨床意義。

圖1耳蝸聽覺上皮柯蒂式器（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(xiàn)V或W型，IHC的纖毛（藍色）呈現(xiàn)“一”字形。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)， Tbx2是IHC命運決定、分化和命運維持的關鍵轉錄因子，而Insm1和Ikzf2對于OHC的命運維持、存活和功能至關重要。然而，耳蝸前體細胞最終如何發(fā)育為OHC和IHC的精確基因調控網絡還知之甚少。例如，是否存在一類基因能夠同時調控IHC和OHC的命運穩(wěn)定和存活尚不清楚。劉志勇研究團隊通過分析OHC和IHC的顯著差異表達基因，發(fā)現(xiàn)了一個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中瞬時表達（圖2左）。

研究團隊通過系統(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可以正常產生，但其細胞命運狀態(tài)變的不穩(wěn)定，開始表達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，產生一類外毛細胞樣細胞（induced OHC like cells，iOHCs）。另外研究人員發(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“守護者”一般，確保IHC的命運不偏離軌道，防止其轉變?yōu)?/span>OHC（圖2右）。然而，在 OHC 中，Casz1扮演的角色截然不同，其主要任務是維持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)出嚴重的聽力障礙。

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，以耳蝸頂部為例，有67.3%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HC發(fā)育的分子機制，研究團隊借助全長單細胞轉錄組分析技術，對缺失Casz1后OHC和IHC的基因表達變化進行了全面解析。進一步通過遺傳學回補實驗確認了轉錄因子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，最終實現(xiàn)Casz1^-/-小鼠聽覺功能的部分恢復（圖3）。

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，研究團隊進一步通過小鼠體內遺傳學實驗證明了Tbx2對Casz1發(fā)揮上位（epistatic）調控作用，過表達Tbx2能徹底阻止Casz1^-/- IHC向OHC轉分化。另外，作者也證明了Casz1^-/- IHC向OHC轉變的過程并不依賴于Insm1，提示Casz1敲除介導的IHC向OHC的轉分化過程并不一定要完全重復OHC正常的發(fā)育軌跡。

綜上，劉志勇研究團隊通過單細胞轉錄組、電生理記錄、電鏡、細胞功能分析和小鼠遺傳學模型等技術首次解析了Casz1在聽覺HC中的雙重作用，揭示了Tbx2-Casz1-Gata3轉錄調控通路參與早期IHC的命運穩(wěn)定，也發(fā)現(xiàn)了Casz1在纖毛發(fā)育和OHC存活中不可或缺的作用（圖3）。該研究成果不僅為基礎聽覺科學研究領域增添了重要一環(huán)，也為未來促進HC再生及纖毛功能恢復提供了潛在基因靶點，將有望推動聽覺毛細胞損傷基因治療領域的發(fā)展，為聽力障礙患者帶來福音。

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，其過表達可緩解Casz1缺失引起的HC異常，并部分恢復小鼠聽力。Tbx2通過上位調節(jié) Casz1促進IHC基因表達并抑制OHC基因表達，同時Casz1也可能間接調控Tbx2表達。

中國科學院腦智卓越中心劉志勇研究員為該研究的通訊作者，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、王廣琴和副高級實驗師賀順姬對小鼠構建做出了重要貢獻。博士生李書亭、張迪協(xié)助單細胞轉錄組的濕實驗和分析。上海交通大學第九人民醫(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) 人類遺傳學系的Suzanne L Mansour教授提供了重要的轉基因動物并協(xié)助論文撰寫和修改。該研究得到了中國科學院腦智卓越中心分子細胞技術平臺、光學成像平臺、電鏡平臺以及實驗動物平臺（實驗鼠房）的大力支持。該研究得到科技部、中國科學院、基金委和上海市的支持。