
期刊:Cell?Reports
影響因子:9.995
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導語
與哺乳動物不同,鳥類發生耳聾后可以自發愈合,是內耳再生的理想模型。從組織結構上講,鳥類的聽覺器官是基底乳突,與哺乳動物類同?;兹橥晃挥邙B類耳蝸管中,含有與支持細胞交叉的聽覺毛細胞。鳥類耳蝸管中含有兩類毛細胞:高毛細胞、矮毛細胞,高毛細胞位于聽神經節上方的纖維軟骨板上,即基底乳突的內側/神經側,短毛細胞位于基底膜上方的上皮中,橫跨下纖維軟骨板,即外側/神經異常側。毛細胞的分布與耳聾的治愈密切相關,但哺乳動物中鮮少發生毛細胞的再生。
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科學問題
毛細胞的再生與耳聾治愈密切相關,哺乳動物中卻鮮少發生,支持細胞為毛細胞提供支撐,但支持細胞的marker基因和亞型仍無研究。
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研究技術
10X?單細胞RNA測序、RNA原位雜交
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研究內容
為了闡明鳥類耳聾治愈過程中毛細胞再生與重排的分子機制,作者采用單細胞測序技術,發現了三類聽覺毛細胞:高毛細胞、矮毛細胞、高級毛細胞,及三類毛細胞的marker基因。發現了支持給類毛細胞的支持細胞marker基因及功能。并鑒定了毛細胞基因沿耳蝸軸的分布,為與非再生哺乳動物耳蝸的比較研究和再生鳥類耳蝸的縱向研究提供了基礎。
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研究路線圖

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研究結果
1.?雞耳蝸感覺上皮細胞的單細胞圖譜
從組織學形態上講,鳥類和哺乳動物的耳蝸具有類似的形態(Fig 1A、1B),說明耳蝸結構在進化上的保守性,研究鳥類耳蝸結構具有一定的指導意義。解離雞類的耳蝸上皮進行單細胞測序,總共測到305個上皮細胞,可以分為3群:毛細胞、支持細胞、均質細胞(Fig 1C),差異基因分析發現,SLC34A2在毛細胞中高表達(以前報到為毛細胞簇高豐度蛋白),TECTB和GSN分別在支持細胞和均質細胞中高表達(Fig 1D-1I)。

Fig. 1 雞耳蝸單細胞圖譜及細胞群的marker基因
2.?毛細胞亞群分析
作者將毛細胞進行亞群分析,共得到4個亞群:HC1-HC4(Fig 2A),說明了毛細胞的異質性,并發現C14ORF180和CXCL14在毛細胞中變異程度最高,且表達于明顯不同的兩群(Fig 2B-2D)。RNA原位雜交顯示C14ORF180表達于高毛細胞,CXCL14表達于矮毛細胞(Fig 2B’、2C’),并揭示了高毛細胞和矮毛細胞的其他marker基因(Fig 2F-2I)。HC1與HC2進行比較發現,兩群細胞各具有特異性高表達基因,包括ITM2C、NEFM(Fig 2J-2P)。

Fig. 2 毛細胞亞群分析
3.?毛細胞重排分析
作者先針對毛細胞群進行軌跡分析,高毛細胞和矮毛細胞顯示了不同的分化軌跡,且發現TMC1和TMC2沿時序分析結果分布(Fig?3A),TMC1在時序近端,TMC2在時序遠端(Fig?3B、3C),且TMC1和TMC2在高毛細胞和矮毛細胞中呈現相反趨勢(Fig 3D-3F),有88個基因沿時序具有顯著差異(Fig 4G)。

Fig. 3 毛細胞分布與重塑
4.?支持細胞亞型分析
將支持細胞進一步細分,也發現支持細胞可以分為兩群細胞:SC1、SC2(Fig 4A),差異基因分析發現16個SC1高表達的基因,23個SC2高表達基因(Fig 4B)。擬時序分析發現支持細胞的空間關系(Fig 4C、4D)。SC1上調基因LCAT、GLIPR1L、DKK3的RNA原位雜交顯示,SC1位于高毛細胞下方(Fig 6E-6G);SC2上調基因NTN4L、SMOC2、TIMP3原位雜交顯示,SC2位于短毛細胞下方(Fig 6H-6J)。

Fig. 4 支持細胞的異質性
5.?非聽覺細胞的異質性
均質細胞與毛細胞和支持細胞相比,有37個高表達基因(Fig 5A、5B)。均質細胞高表達基因LRP2、CHRNA7?mRNA原位雜交結果顯示,此類均質細胞位于血管背蓋的上部;OTOA?mRNA原位雜交結果顯示,高表達OTOA的均質細胞位于基底和頂端區域,揭示了均質細胞的異質性(Fig 5C-7H)。通過擬時序分析,也證實了均質細胞的異質性,位于基底的均質細胞高表達基因與支持細胞marker基因共表達(Fig 5H-5L)?;谝陨辖Y果,作者提出了更加精確的鳥類耳蝸組織結構模型(Fig 5M)。

Fig. 5均質細胞的異質性
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文章結論
通過對雞耳蝸上皮進行單細胞測序,作者發現了三群耳蝸上皮細胞群:毛細胞、支持細胞、均質細胞。毛細胞亞群分析發現了高毛細胞和矮毛細胞的marker基因,及調控毛細胞重排的關鍵因子。支持細胞也分為兩群:支持高毛細胞群和支持矮毛細胞群。均質細胞也具有一定的異質性,總體而言,提出了更加精確的鳥類耳蝸模型。
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參考文獻:
Janesick A, Scheibinger M, Benkafadar N, Kirti S, Ellwanger DC, Heller S. Cell-type identity of the avian cochlea. Cell Rep. 2021 Mar 23;34(12):108900. doi: 10.1016/j.celrep.2021.108900. PMID: 33761346.
