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论文信息
研究背景
感音神经性听力损失(SNHL)是主要由耳蜗毛细胞(HC)损伤导致的全球性健康问题。哺乳动物成年个体的HC损失具有不可逆性,而鱼类/鸟类支持细胞却能再生HC。毛细胞可以在新生小鼠的内耳中再生,但这种能力是非常短暂的,并且在出生后不久就会迅速丧失。由于哺乳动物中毛细胞损失的持久性,仍然迫切需要阐明毛细胞再生的分子机制,以开发针对SNHL的治疗干预措施。Lgr5作为Wnt通路靶基因,在肠、肝等多器官中标记组织特异性祖细胞。耳蜗研究表明,Lgr5+细胞分布于内指细胞、第三排Deiters细胞等特定支持细胞群,具有祖细胞特性。这些细胞可通过有丝分裂再生和直接转分化两条途径参与HC再生。关键调控因子Atoh1、Gfi1、Pou4f3等与Wnt/Notch/Hippo信号通路协同作用,既能激活Lgr5+祖细胞增殖分化,又可促进新生HC的形态功能成熟。即使同时调节多个基因和信号通路,HC再生仍然非常有限,因此,有必要筛选能够有效促进HC再生的新基因。
文章概述
近日,由东南大学生命健康高等研究院张莎莎教授和柴人杰教授课题组报道了在新生小鼠耳蜗Lgr5+祖细胞中条件性过表达Serpine2的可以促进毛细胞再生。Serpine2在出生后在小鼠耳蜗中表达,随着小鼠年龄的增长呈下降趋势。此外,新生小鼠耳蜗Lgr5+祖细胞体内Serpine2条件性过表达导致异位HC数量以剂量依赖性方式增加。Serpine2体外和体内敲低可抑制HC再生。EdU分析和谱系追踪表明,这些异位HC可能通过Lgr5+祖细胞的直接转分化再生,而不是通过有丝分裂再生。此外,snRNA-seq分析和RT-qPCR结果显示,Serpine2-cOE可能通过抑制SHH信号通路和诱导Atoh1和Pou4f3转录因子诱导HC再生。Serpine2在新生小鼠耳蜗中Lgr5+祖细胞的HC再生中起着关键作用,这为未来HC再生的研究提供了新的思路。
图文导读
在杂合的Serpine2-cOE小鼠中,耳蜗中异位IHC总数是Serpine2loxp/+对照小鼠的3倍以上,并且异位内毛细胞的数量从耳蜗底转向顶转呈增加趋势。
为了进一步证实Serpine2对HC再生的影响,作者繁育出纯合Serpine2-cOE小鼠。与两个对照组相比,可以观察到纯合Serpine2-cOE小鼠中的异位OHC明显更多,至少增加了3倍。此外,在Serpine2loxp/+小鼠,Lgr5EGFP-CreER/+Serpine2loxp/+杂合cOE小鼠和Lgr5EGFP-CreER/+Serpine2loxp/loxp纯合cOE小鼠中,顶转、中转和底转处异位内毛细胞的数量呈增加趋势。在Lgr5EGFP-CreER/+小鼠,Lgr5EGFP-CreER/+Serpine2loxp/+小鼠和Lgr5EGFP-CreER/+Serpine2loxp/loxp小鼠中,顶转异位外毛细胞的数量也有增加的趋势。这些结果表明,异位毛细胞和内毛细胞的数量随着Serpine2表达水平的增加而增加,表明Serpine2对异位毛细胞数量具有剂量依赖性。
利用EdU标记增殖细胞,结果显示Serpine2-cOE小鼠和对照小鼠的耳蜗中均不含有EdU+支持细胞,这表明异位毛细胞可能不是通过Lgr5+细胞进行有丝分裂后分化再生的。
接着作者通过将cOE小鼠与Rosa26-tdTomato小鼠杂交并进行谱系示踪实验发现,杂合和纯合的三阳性小鼠的耳蜗在其耳蜗顶转处含有显著更多的tdTomato+内毛细胞,结合上述EdU标记实验结果,表明体内耳蜗Lgr5+祖细胞中的Serpine2 条件过表达可能是通过促进Lgr5+祖细胞直接转分化为毛细胞而促进毛细胞再生的,而不是诱导有丝分裂促进再生。
为了进一步证明Serpine2对HC再生的影响,作者通过在Lgr5EGFP-CreER/+Rosa26-tdTomato小鼠的耳蜗中分别使用siRNA和腺相关病毒(AAV)在体外和体内敲低Serpine2进行谱系追踪实验。在耳蜗外植体上利用针对Serpine2的siRNA(siRNA-Ser)处理发现,与对照组相比,Serpine2敲低可显着减少耳蜗外植体顶端和中转tdTomato+ HC的数量。利用siRNA Ser序列构建pAAV2 shRNA质粒,并将其包装到AAV ie中(AAV-Sh-Ser)中,与体外结果类似,新生小鼠耳蜗中AAV-Sh-Ser对Serpine2的体内敲低也显着减少了顶转tdTomato+ HC的数量。因此,体外和体内结果均表明,敲除Serpine2可以降低新生小鼠耳蜗中的毛细胞再生,这进一步支持了Serpine2 cOE小鼠的结果。
为了进一步探索Serpine2在HC再生中的机制,作者利用snRNA-seq来表征单细胞水平上的转录组差异。利用Monocl2轨迹分析来可视化两组中的分化轨迹和趋势,在Serpine2-cOE组的内外毛细胞的发展轨迹的中间有一部分未成熟内毛细胞(iIHC)和未成熟外毛细胞(iOHC),这与前述的表型结果一致,并进一步支持Serpine2-cOE能够诱导毛细胞再生。利用AUC评分和RT-qPCR验证,结果发现SHH信号通路活性在Serpine2 cOE组中显著下降,并且关键转录因子Atoh1和Pou4f3在Serpine2 cOE组中表现出显着更高的mRNA水平。这些结果表明,Serpine2-cOE主要通过抑制SHH途径和诱导Atoh1和Pou4f3转录因子来诱导毛细胞再生。
结论
作者利用Serpine2-cOE小鼠在新生小鼠耳蜗中的Lgr5+祖细胞中条件过表达Serpine2,与对照组小鼠相比,观察到显著更多的异位HC。相反,Serpine2敲低在体外和体内均能够抑制新生小鼠耳蜗中的HC再生。此外,EdU标记实验和谱系追踪实验结果表明,异位HC可能通过直接转分化再生,而不是通过有丝分裂再生。此外,snRNA-seq分析和RT-qPCR结果表明,Serpine2 cOE可能通过抑制SHH信号通路和诱导Atoh1和pouf4f3转录因子来促进HC再生。
期刊简介
Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊,发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果,所有文章均可免费获取。被Medline收录,PubMed可查。最新影响因子为17.521,中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。
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