刘志勇组破解听觉密码:Casz1守护耳蜗内毛细胞命运与维持外毛细胞存活

2025年1月31日，《Science》期刊在线发表了题为《Casz1 is required for both inner hair cell fate stabilization and outer hair cell survival》的研究论文，该研究由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）刘志勇研究组完成。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。

哺乳动物的声音感知依赖于耳蜗中的两类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（图1）。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HC死亡是感音性耳聋的重要因素之一。然而，哺乳类动物包括人类不具备再生修复HC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，对帮助耳聋患者恢复听觉功能具有重要的临床意义。

图1耳蜗听觉上皮柯蒂式器（Organ of Corti）及纤毛结构

（A）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。（B）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。

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，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的命运稳定和存活尚不清楚。刘志勇研究团队通过分析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（图2左）。

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的不稳定，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（图2右）。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。

图2 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，研究团队借助全长单细胞转录组分析技术，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（图3）。

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，作者也证明了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。

综上，刘志勇研究团队通过单细胞转录组、电生理记录、电镜、细胞功能分析和小鼠遗传学模型等技术首次解析了Casz1在听觉HC中的双重作用，揭示了Tbx2-Casz1-Gata3转录调控通路参与早期IHC的命运稳定，也发现了Casz1在纤毛发育和OHC存活中不可或缺的作用（图3）。该研究成果不仅为基础听觉科学研究领域增添了重要一环，也为未来促进HC再生及纤毛功能恢复提供了潜在基因靶点，将有望推动听觉毛细胞损伤基因治疗领域的发展，为听力障碍患者带来福音。

图3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。

中科院脑智卓越中心刘志勇研究员为该研究的通讯作者，脑智卓越中心博士后孙雨薇为该论文的第一作者，博士生任旻蕙对转录组分析做出了重要贡献，博士生罗正南、孙素红、王广琴和副高级实验师贺顺姬对小鼠构建做出了重要贡献。博士生李书亭、张迪协助单细胞转录组的湿实验和分析。上海交通大学第九人民医院宋雷研究员及博士生张宇参与了OHC非线性膜电容分析，美国University of Utah (犹他大学) 人类遗传学系的Suzanne L Mansour教授提供了重要的转基因动物并协助论文撰写和修改。该研究得到了中科院脑智卓越中心分子细胞技术平台、光学成像平台、电镜平台以及实验动物平台（实验鼠房）的大力支持。该研究得到上海市科委的市级重大项目支持。