

發(fā)布時(shí)間:2022-09-16 13:28:00
2022年3月22日,《Cell Reports》期刊在線發(fā)表了題為《Single-cell transcriptomic landscapes of the otic neuronal lineage at multiple early embryonic ages》的研究論文,該研究由中國(guó)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)、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心劉志勇研究組與中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所魏武研究組合作完成。該研究揭示了小鼠內(nèi)耳神經(jīng)節(jié)譜系在三個(gè)不同胚胎期E9.5, E11.5和E13.5的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組特征,同時(shí)新發(fā)現(xiàn)了多種耳囊神經(jīng)前體細(xì)胞及神經(jīng)節(jié)亞型特異基因。該項(xiàng)研究結(jié)果為治療內(nèi)耳神經(jīng)節(jié)異常導(dǎo)致的平衡和聽覺功能障礙提供了新的理論基礎(chǔ)。
內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)(VGN)和螺旋神經(jīng)節(jié)(SGN)分別在維持機(jī)體平衡覺和感知聲音信息過程中起關(guān)鍵作用,其損傷或退化可導(dǎo)致平衡障礙和耳聾。其中,螺旋神經(jīng)節(jié)對(duì)臨床上人工耳蝸的療效至關(guān)重要。雖然成熟的內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)和螺旋神經(jīng)節(jié)具有不同功能,但它們都起源于胚胎早期的耳囊神經(jīng)母細(xì)胞,也被稱作耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞(CVG)。目前領(lǐng)域內(nèi)有3個(gè)重要的問題亟待回答:1)耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞是如何從耳囊中產(chǎn)生的?2)未分化的耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞如何逐步分化為內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)和螺旋神經(jīng)節(jié)?3)內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)和螺旋神經(jīng)節(jié)在胚胎早期有幾種細(xì)胞亞型?系統(tǒng)地研究這些問題不僅有助于揭示小鼠內(nèi)耳神經(jīng)節(jié)發(fā)育的分子機(jī)制,也可以將這些發(fā)育過程中的關(guān)鍵基因或者基因網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于再生和修復(fù)成年的內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)和螺旋神經(jīng)節(jié)。
該項(xiàng)研究利用10x Genomics單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù),揭示了小鼠內(nèi)耳在胚胎早期的轉(zhuǎn)錄組特征(圖1A)。研究發(fā)現(xiàn),隨著耳囊神經(jīng)發(fā)生的進(jìn)行,耳囊前腹側(cè)的細(xì)胞開始遷移出耳囊,并逐步失去上皮特征(圖1B)。在E9.5階段,部分Neurog1+的耳囊細(xì)胞,開始表達(dá)Insm1和Shox2,最終形成耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞。在E9.5和E11.5之間,新耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞的產(chǎn)生和舊耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞的分化同時(shí)進(jìn)行(圖1C,圖2)。內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)和螺旋神經(jīng)節(jié)在E11.5已經(jīng)呈現(xiàn)出顯著不同的基因表達(dá)譜。除了利用原位雜交和譜系追蹤實(shí)驗(yàn)體內(nèi)驗(yàn)證耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞,內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)和螺旋神經(jīng)節(jié)在不同時(shí)期的特異基因之外,該研究還構(gòu)建了2個(gè)新的轉(zhuǎn)基因小鼠模型Shox2-P2A-Cre/+和Casz1*3xHA-P2A-Tdtomato/+,可用于后續(xù)更精準(zhǔn)的內(nèi)耳神經(jīng)節(jié)標(biāo)記和基因功能分析。
圖1小鼠胚胎早期耳囊轉(zhuǎn)錄組分析。(A)胚胎期E9.5,E11.5及E13.5耳囊10xGenomics單細(xì)胞測(cè)序?qū)嶒?yàn)示意圖。(B)E9.5耳囊細(xì)胞可以分為上皮細(xì)胞群(灰色)及耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞(CVG,粉色)。(C)E11.5的耳囊神經(jīng)譜系細(xì)胞分為三群,已分化的前庭神經(jīng)節(jié)(VGN,藍(lán)色)和螺旋神經(jīng)節(jié)(SGN,綠色)以及未分化的CVG細(xì)胞(粉色)。(D)E13.5的內(nèi)耳神經(jīng)元分為未分化的CVG細(xì)胞(粉色),SGN(綠色)以及I型VGN(紫色)和II型VGN(黃色)。
最后,研究人員把三個(gè)不同時(shí)期的未分化的耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞,和正在分化的內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)和螺旋神經(jīng)節(jié)聚合在一起進(jìn)行發(fā)育軌跡擬合分析。研究結(jié)果表明在E13.5階段, 螺旋神經(jīng)節(jié)亞型還沒有出現(xiàn)。與之相反,內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)譜系在E13.5階段已經(jīng)存在兩種亞型(圖 2): Tlx3+/Sall3+/Gata3- 的I型內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié) 和Tlx3+/Sall3-/Gata3+ 的II型內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)。因此,內(nèi)耳前庭神經(jīng)節(jié)亞型出現(xiàn)早于螺旋神經(jīng)節(jié)亞型。這些細(xì)胞亞型的具體神經(jīng)功能將是未來的一個(gè)重要研究方向。
圖2耳蝸前庭神經(jīng)節(jié)前體細(xì)胞胚胎早期發(fā)育的示意圖。
中科院腦智卓越中心劉志勇研究員、李超副研究員和營(yíng)養(yǎng)與健康所魏武研究員為該論文的共同通訊作者;腦智卓越中心博士研究生孫雨薇和營(yíng)養(yǎng)與健康所博士研究生王露悅為該論文共同第一作者,腦智卓越中心研究助理吳柏霖和朱彤,博士研究生王廣琴和羅正南也對(duì)課題做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了中科院腦智卓越中心分子細(xì)胞技術(shù)平臺(tái)、光學(xué)成像平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物平臺(tái)(實(shí)驗(yàn)鼠房)的大力支持。該研究得到科技部、中科院、基金委、上海市的支持。
附件下載: