日本的一個研究小組首次發(fā)現(xiàn)，內(nèi)耳器官Corti中棋盤狀的細胞排列對聽力至關(guān)重要。這一發(fā)現(xiàn)從細胞自組織的角度對聽力如何工作提供了新的見解，也將使人們更好地理解各種聽力損失疾病。

該研究小組包括神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)研究生院的助理教授TOGASHI Hideru和兵庫縣神戶兒童醫(yī)院的KATSUNUMA Sayaka博士。

這些研究結(jié)果于2022年12月8日在線發(fā)表在《細胞與發(fā)育生物學(xué)前沿》雜志上。

要點

• 在內(nèi)耳的Corti器官中，有兩種類型的細胞以棋盤狀鑲嵌圖案排列;毛細胞負責(zé)聽力和支持細胞。然而，這種棋盤圖案和聽力功能之間的關(guān)系一直不清楚。

• 在Corti器官中的細胞不能形成這種棋盤狀圖案的小鼠中，只有毛細胞死亡(細胞凋亡)，這導(dǎo)致耳聾。

• 世界上第一次，人們認識到棋盤式布局在保護毛細胞及其功能方面起著基本的結(jié)構(gòu)作用，因為這種布局可以防止毛細胞相互粘附。

• 在許多不同種類的動物的各種感覺器官中都觀察到這種細胞的鑲嵌模式。理解細胞自我組織如何形成這些馬賽克圖案的背后機制將有助于闡明各種感覺器官的功能和疾病背后的機制。

研究背景

內(nèi)耳耳蝸是聽聲音所必需的，位于它里面的是Corti器官(*1)。當(dāng)在顯微鏡下從上方觀察Corti器官時，可以看到兩種類型的細胞以精確有序的布局排列，類似于國際象棋或棋盤。將聲波傳遞到大腦的毛細胞被支持細胞隔開，支持細胞防止毛細胞相互接觸。盡管人們一直認為這種棋盤式的排列是科爾蒂器官正常運作所必需的，但這種模式與聽力功能之間的關(guān)系長期以來仍不清楚。

該研究小組此前曾揭示，這種內(nèi)耳棋盤是由細胞分離機制形成的，該機制使毛細胞和支持細胞能夠正確地排成一行。毛細胞和支持細胞各自表達不同類型的細胞粘附分子連接素。這導(dǎo)致一個毛細胞和一個支持細胞比兩個毛細胞或兩個支持細胞更緊密地結(jié)合在一起。這一特性導(dǎo)致毛細胞和支持細胞排列成棋盤狀。在小鼠模型中，其中一個nectin分子沒有功能，其性質(zhì)就會改變，棋盤圖案就不能正確形成。在這項研究中，研究人員使用這些小鼠來研究細胞的棋盤式排列和聽力功能之間的聯(lián)系。

研究方法

研究小組將正常(對照組)小鼠與一種連接素功能不正常的小鼠(連接素-3 KO小鼠，簡稱為連接素KO小鼠)進行了比較。出生后，小鼠的Corti器官中毛細胞和支持細胞的數(shù)量沒有立即觀察到差異。然而，這兩種類型的細胞在彼此粘附的容易程度上存在差異;在nectin-3 KO小鼠中，毛細胞粘附在一起(通常不會發(fā)生)，導(dǎo)致棋盤圖案異常。在這一點上，研究人員假設(shè)測試這些老鼠的聽力可能會揭示聽力和棋盤圖案之間的關(guān)系。他們使用聽覺腦干反應(yīng)(ABR)方法測量了超過一個月大的nectin KO小鼠的聽力(*2)。該測試顯示，nectin KO小鼠中度失聰，這表明聽力損失是由內(nèi)耳異常引起的。

研究人員隨后檢查了接受ABR測試的nectin KO小鼠的Corti器官，發(fā)現(xiàn)毛細胞數(shù)量減少了大約一半。接下來，他們開始尋找為什么只有毛細胞(而不是支持細胞)消失了。他們發(fā)現(xiàn)2周齡后毛細胞發(fā)生凋亡(*3)。此外，對細胞凋亡痕跡的檢查顯示，許多相互粘附的細胞發(fā)生了細胞死亡。這使得研究人員推測是毛細胞相互粘附(這通常不會發(fā)生)導(dǎo)致了細胞凋亡。

在上皮組織中，也包括Corti器官，每個細胞之間有緊密的連接。這些緊密的連接不僅連接細胞，還防止各種分子(包括離子)在細胞之間傳遞。如果Corti的器官沒有這些緊密的連接，毛細胞就不能正常工作，細胞就會死亡，聽力就會喪失。在nectin KO小鼠中，在毛細胞粘附的地方，緊密連接沒有正確形成。然而，在毛細胞和支持細胞之間確實形成了緊密連接。只要兩個毛細胞不粘在一起，正常的細胞功能就會保持。換句話說，毛細胞凋亡只在毛細胞不正常地相互粘附和沒有正確形成緊密連接的地方才會發(fā)生。這些結(jié)果首次揭示了在Corti器官中發(fā)現(xiàn)的毛細胞和支持細胞的棋盤狀結(jié)構(gòu)作為一種基本結(jié)構(gòu)，通過防止毛細胞相互附著來保護毛細胞及其功能。

進一步的研究

Nectin是瑪格麗特島外胚層發(fā)育不良的致病基因(*4)。除了唇腭裂和智力障礙外，這種遺傳疾病的一些病例也有耳聾的報道。因此，目前的研究結(jié)果可能為一些原因尚不清楚的耳聾病例提供新的解釋。

這項研究集中在聽力上，并證明了Corti器官中細胞棋盤狀鑲嵌圖案的生理意義。然而，其他對外界刺激作出反應(yīng)的感覺細胞及其各自的支持細胞也以同樣的交替鑲嵌模式排列。這些鑲嵌圖案存在于感覺器官中，例如負責(zé)嗅覺的嗅覺上皮細胞和負責(zé)視覺的視網(wǎng)膜。事實上，這些鑲嵌圖案不僅在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)，而且在各種其他生物中也發(fā)現(xiàn)，這表明它們在功能上很重要。感覺組織中的鑲嵌圖案是由于細胞間黏附性的差異而通過自組織產(chǎn)生的。因此，重點研究感覺器官的細胞自組織將增加我們對感覺器官功能的認識，促進我們對各種相關(guān)疾病的認識。

Journal Reference:

1. Sayaka Katsunuma, Hideru Togashi, Shuhei Kuno, Takeshi Fujita, Ken-Ichi Nibu. Hearing loss in mice with disruption of auditory epithelial patterning in the cochlea. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2022; 10 DOI: 10.3389/fcell.2022.1073830