作為五大感覺器官之一，耳蝸能夠感知外界的聲波震動，將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞到大腦的顳葉形成聽覺。隨著年齡的增長，耳蝸的生理功能逐漸退化，從而導(dǎo)致老年性耳聾的發(fā)生，嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量。解析耳蝸衰老的機制是理解并干預(yù)老年性耳聾的重要基礎(chǔ)。然而，耳蝸結(jié)構(gòu)精巧且復(fù)雜，由耳蝸柯蒂氏器、基底膜、蝸軸、血管紋、螺旋韌帶等不同解剖區(qū)域組成，包含數(shù)十種細胞類型，傳統(tǒng)方法難以精確揭示耳蝸衰老過程中不同細胞類型的衰老規(guī)律及分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

2022年11月12日，中國科學(xué)院動物研究所劉光慧課題組、東南大學(xué)柴人杰課題組、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院王思課題組以及中國科學(xué)院動物研究所曲靜課題組合作，在Protein & Cell雜志在線發(fā)表題為“Single-cell Transcriptomic Atlas of Mouse Cochlear Aging”的研究論文。該研究首次系統(tǒng)地繪制了小鼠耳蝸衰老的高分辨跨時序單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示了增齡伴隨的耳蝸功能減退的關(guān)鍵時間節(jié)點以及細胞分子調(diào)控機制，為發(fā)掘耳蝸衰老及相關(guān)退變的早期預(yù)警標(biāo)志和潛在干預(yù)靶標(biāo)提供了理論依據(jù)。

在該項研究中，研究人員分別獲取了1、2、5、12、15月齡C57BL/6J小鼠的耳蝸組織，通過聽力功能檢測發(fā)現(xiàn)：隨著月齡增加，C57BL/6J小鼠表現(xiàn)出高頻聽力丟失的特征，這與人類老年性耳聾的特征較為相似。進一步的組織學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，耳蝸衰老的特征表現(xiàn)為：內(nèi)毛細胞、外毛細胞、螺旋神經(jīng)元和螺旋韌帶區(qū)域的纖維細胞等重要細胞類型均發(fā)生了不同程度的丟失，以及衰老相關(guān)的血管紋萎縮等。為明確小鼠耳蝸衰老過程中的細胞和分子變化規(guī)律，研究人員利用高通量單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，系統(tǒng)地揭示了耳蝸柯蒂氏器、基底膜、蝸軸、血管紋、螺旋韌帶等區(qū)域，包括毛細胞(Hair cell, HC)、螺旋神經(jīng)元(Spiral ganglion neuron, SGN)、血管紋中層細胞(Intermediate cell, IC)等在內(nèi)的27種耳蝸細胞類型衰老伴隨的基因表達特征。
  研究發(fā)現(xiàn)，耳蝸細胞的轉(zhuǎn)錄噪音隨著增齡而升高，表明衰老導(dǎo)致耳蝸細胞RNA表達的不穩(wěn)定性增加。其中，血管紋中層細胞轉(zhuǎn)錄噪音的增加尤為顯著。為了確定耳蝸衰老的時間規(guī)律，研究人員通過不同時間點之間的配對比較分析，鑒定了特定時間點之間的差異基因（Pairwise differentially expressed genes，PDEGs），并發(fā)現(xiàn)5月齡時小鼠耳蝸已經(jīng)展現(xiàn)出細胞衰老的轉(zhuǎn)錄譜特征。通過分析PDEGs的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)血管紋中層細胞在衰老過程中表現(xiàn)出較多的基因表達差異。不同于時間點之間的兩兩比較，多個時間節(jié)點能夠識別動態(tài)差異表達基因（Dynamic differentially expressed genes，DDEGs），以高分辨率的形式研究基因表達隨時間的連續(xù)變化理論上更能揭示耳蝸衰老的跨時序變化規(guī)律。因此，研究人員進一步通過構(gòu)建相應(yīng)算法并鑒定出包括持續(xù)上調(diào)和持續(xù)下調(diào)等6種表達模式的DDEGs基因集，其中血管紋中層細胞擁有較多的持續(xù)上調(diào)和持續(xù)下調(diào)的差異表達基因。持續(xù)上調(diào)的基因主要與未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）、細胞凋亡、以及免疫炎性反應(yīng)相關(guān)，持續(xù)下調(diào)的基因主要與離子轉(zhuǎn)運、細胞基質(zhì)黏附等相關(guān)，提示耳蝸衰老過程中伴隨著細胞損傷的累積和功能下降。
  研究人員進一步聚焦于血管紋中層細胞，通過對UPR通路的詳細分析，發(fā)現(xiàn)UPR的三個主要分支通路（包括ATF6、IRE1和PERK信號通路）的相關(guān)基因的表達均隨著衰老上調(diào)。一方面，UPR下游的應(yīng)激代償通路，包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白降解、NRF2等通路相關(guān)基因的表達隨衰老而升高。另一方面，凋亡相關(guān)基因的表達也呈現(xiàn)出増齡伴隨的上調(diào)。這些結(jié)果提示UPR代償通路不足以抵消增齡伴隨的持續(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，無法阻止耳蝸衰老相關(guān)損傷，進而引起中層細胞的凋亡。此外，研究發(fā)現(xiàn)血管紋中層細胞中UPR相關(guān)基因Hsp90aa1的上調(diào)最為明顯，提示其可能作為耳蝸衰老相關(guān)損傷的潛在調(diào)控因子在中層細胞衰老中發(fā)揮作用。實驗表明，在小鼠血管紋細胞中敲低Hsp90aa1可加劇細胞的UPR和凋亡程度，而激活Hsp90aa1可減輕應(yīng)激壓力下細胞內(nèi)蛋白聚集并拮抗細胞凋亡。以上研究成果提示靶向Hsp90aa1-UPR通路可能為耳蝸衰老的干預(yù)提供新思路、新策略。

        該研究首次報道了小鼠耳蝸衰老的跨多時間點的高分辨單細胞轉(zhuǎn)錄組景觀圖譜，系統(tǒng)地解析了耳蝸組織中多種細胞類型隨衰老變化的規(guī)律，揭示了耳蝸衰老的新的分子特征。研究不僅加深了人們對耳蝸結(jié)構(gòu)和功能增齡性退變的認識，闡明了耳蝸衰老過程的關(guān)鍵易感細胞類型及易感分子，且為評估耳蝸衰老程度及預(yù)警老年性耳聾提供了潛在的診斷生物標(biāo)志物，為發(fā)展靶向耳蝸衰老的干預(yù)新策略奠定了理論基礎(chǔ)。
  中國科學(xué)院動物研究所劉光慧研究員、東南大學(xué)柴人杰教授、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院王思研究員、中國科學(xué)院動物研究所曲靜研究員為該論文共同通訊作者。中國科學(xué)院動物研究所博士研究生孫國強、鄭彥東，東南大學(xué)付小龍副教授，中國科學(xué)院北京基因組研究所張維綺、任捷研究員為該論文共同第一作者。
  相關(guān)數(shù)據(jù)已上傳至衰老多組學(xué)數(shù)據(jù)庫Aging Atlas (https://ngdc.cncb.ac.cn/aging/landscape?project=Mouse_Cochlea)。
  原文鏈接：https://academic.oup.com/proteincell/advance-article/doi/10.1093/procel/pwac058/6823876

                                   (轉(zhuǎn)自BioArt公眾號)