中国科学院神经科学研究所
    听觉系统发育再生研究组
研究方向

内耳的耳蜗是我们的外周声音感知器官。耳蜗的听觉上皮细胞(也叫做毛细胞)首先把外界的声波信号转化为电生理信号,然后通过内耳螺旋神经节细胞逐步传递到大脑听觉中枢。先天遗传性或者后天各种创伤引起的毛细胞、内耳螺旋神经节细胞死亡均可以引起不同程度的听力损伤,甚至终身性耳聋。根据世界卫生组织(WHO)的调查,0.3%的新生儿、5%的45岁以前的人群和50%的70岁以上的人群患有不同程度的听力损伤。听力损伤不仅仅影响听力本身,而且也能引起不同程度的社交障碍。因此本实验室的长期目标是:1)从发育神经生物学角度,阐明内耳神经干细胞增殖分化为成熟的毛细胞和螺旋神经节细胞的信号和基因网络分子机制;2)从再生医学的角度,利用内耳听力损伤发生后尚存的其他细胞作为来源,通过操纵重要的信号通路和基因的活性,来诱导其增殖、跨分化为毛细胞或者螺旋神经节细胞,最终实现听力恢复。

小鼠和人类在听觉系统的发育和功能上十分相似。小鼠由于其易于操作的基因编辑系统,已经成为听觉领域一个重要的哺乳类研究模型。本实验室主要利用小鼠为研究对象,结合基因敲除、基因敲入以及转基因技术、遗传学、组织形态学、分子生物学、生物化学、药理学、高通量RNA-Seq和电生理等多学科手段,来实现实验室的上述两个长期目标。

实验室主要研究方向:

1.听觉系统细胞亚型鉴定:
      由于历史的原因,听觉系统的细胞是根据其形态、所处的位置和功能被命名而进行粗略的分类。这种命名规则易于领域内不同实验室之间的交流,但导致同一类别的细胞有很大的杂合性。这是听觉领域一直很难鉴别出毛细胞和螺旋神经节细胞在发育成熟过程中核心调控基因的原因之一。目前实验室已经探索出一套完整的方法,在不知道亚型特异基因的前提下,进行随机单细胞水平的RNA-Seq。此方法能够覆盖大约50%的基因 (~12000个基因)表达谱。通过比较每个单细胞的全基因组基因表达谱,找出一些基因做为标记物能够对所有这些单细胞进行分类,即细胞亚型鉴定。

2.鉴定出不同细胞亚型发育成熟过程中的核心调控基因和信号网络:
      第一步,利用上述单细胞RNA-Seq鉴定出的特异性基因族和果蝇特异性、持续性标记不同细胞类型的方法和原则(Nature Neuroscience.2014),建立一套新的转基因小鼠系,使其能通过遗传学手段能重复性、特异性地用荧光蛋白标记出不同的细胞类型。第二步,对同一细胞亚型在不同细胞发育时期进行深度群体细胞(~100 细胞)水平的RNA-Seq分析,使其能覆盖95%以上的基因表达谱;第三步,通过生物信息学分析,根据其相对表达量和不同发育时期之间的变化趋势找出候选基因。第四步,对候选基因分别进行遗传学基因功能分析,鉴定出不同细胞亚型在发育成熟过程中真正的核心调控基因和信号网络。

3.建立人类听力损伤和再生的小鼠疾病模型:
      人类听力损伤的根源主要有两种:毛细胞死亡和螺旋神经节细胞死亡。两者既可独立发生,也可出现由毛细胞先缺失而引发的螺旋神经节细胞死亡,这是因为螺旋神经节细胞的生存依赖于毛细胞的神经营养支持。实验室将利用遗传学和药理学手段特异性地杀死不同类别的毛细胞和螺旋神经节细胞,然后利用耳蜗尚存的其他细胞类型作为来源,调控上述核心基因的表达状态,测试是否能够诱导其增殖跨分化为毛细胞或者螺旋神经节细胞。其中螺旋神经节细胞的再生对于助听器治疗耳聋患者有很关键的临床意义,因为助听器的疗效必须依赖于螺旋神经节细胞的正常功能。如果取得阳性的实验结果,下一步的目标将是如何利用药物活化这些核心基因。

附研究组组长近年来的代表性研究工作:

1.通过单细胞类型的高通量 RNA-Seq,发现两个在进化上高度保守的RNA结合蛋白Imp和 Syp。它们在细胞命运抉择过程发挥着重要的作用。其作用机制之一是在目标基因转录后对蛋白翻译的环节进行再次调控(Science, 2015);

2.揭示Atoh1基因单独能诱导内耳其他细胞类型跨分化为毛细胞,但新生的毛细胞无法完全成熟分化(The Journal of Neuroscience, 2012,该论文被Faculty of 1000推荐为必读文章)。此发现提示诱导完全的跨分化需要发现更多的其他细胞命运决定基因;

3.阐明Sox2基因在新生小鼠耳蜗内的功能是维持细胞处于非增值状态。其作用机制是维持细胞周期抑制基因p27的表达 (The Journal of Neuroscience, 2012)。此发现为诱导细胞增殖、跨分化为毛细胞提供了一种途径;

4.发现在新生小鼠毛细胞内条件性敲除p27基因,能够诱导其增殖继而产生新的毛细胞,而且新的毛细胞能长期存活(The Journal of Neuroscience, 2012)。此发现提示诱导毛细胞自身增殖也是创伤后恢复听力的另外一种途径。




刘志勇 博士

研究组组长、研究员
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