Cell Reports：小鼠胚胎早期内耳神经节单细胞转录组及其发育特征
2022年3月22日，Cell Reports期刊在线发表了题为“Single-cell transcriptomic landscapes of the otic neuronal lineage at multiple early embryonic ages”的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心刘志勇研究组与中国科学院上海营养与健康研究所魏武研究组合作完成。
该研究揭示了小鼠内耳神经节谱系在三个不同胚胎期E9.5, E11.5和E13.5的单细胞转录组特征，同时新发现了多种耳囊神经前体细胞及神经节亚型特异基因。该项研究结果为治疗内耳神经节异常导致的平衡和听觉功能障碍提供了新的理论基础。
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内耳前庭神经节（VGN）和螺旋神经节（SGN）分别在维持机体平衡觉和感知声音信息过程中起关键作用，其损伤或退化可导致平衡障碍和耳聋。其中，螺旋神经节对临床上人工耳蜗的疗效至关重要。虽然成熟的内耳前庭神经节和螺旋神经节具有不同功能，但它们都起源于胚胎早期的耳囊神经母细胞，也被称作耳蜗前庭神经节前体细胞(CVG)。
目前领域内有3个重要的问题亟待回答：1）耳蜗前庭神经节前体细胞是如何从耳囊中产生的？2）未分化的耳蜗前庭神经节前体细胞如何逐步分化为内耳前庭神经节和螺旋神经节？3）内耳前庭神经节和螺旋神经节在胚胎早期有几种细胞亚型？系统地研究这些问题不仅有助于揭示小鼠内耳神经节发育的分子机制，也可以将这些发育过程中的关键基因或者基因网络应用于再生和修复成年的内耳前庭神经节和螺旋神经节。
该项研究利用10x Genomics单细胞转录组测序技术，揭示了小鼠内耳在胚胎早期的转录组特征（图1A）。研究发现，随着耳囊神经发生的进行，耳囊前腹侧的细胞开始迁移出耳囊，并逐步失去上皮特征（图1B）。在E9.5阶段，部分Neurog1+的耳囊细胞，开始表达Insm1和Shox2，最终形成耳蜗前庭神经节前体细胞。
在E9.5和E11.5之间，新耳蜗前庭神经节前体细胞的产生和旧耳蜗前庭神经节前体细胞的分化同时进行（图1C，图2）。内耳前庭神经节和螺旋神经节在E11.5已经呈现出显著不同的基因表达谱。
除了利用原位杂交和谱系追踪实验体内验证耳蜗前庭神经节前体细胞，内耳前庭神经节和螺旋神经节在不同时期的特异基因之外，该研究还构建了2个新的转基因小鼠模型Shox2-P2A-Cre/+和Casz1*3xHA-P2A-Tdtomato/+，可用于后续更精准的内耳神经节标记和基因功能分析。
图1小鼠胚胎早期耳囊转录组分析
（A）胚胎期E9.5，E11.5及E13.5耳囊10xGenomics单细胞测序实验示意图。（B）E9.5耳囊细胞可以分为上皮细胞群（灰色）及耳蜗前庭神经节前体细胞（CVG，粉色）。（C）E11.5的耳囊神经谱系细胞分为三群，已分化的前庭神经节（VGN，蓝色）和螺旋神经节（SGN,绿色）以及未分化的CVG细胞（粉色）。（D）E13.5的内耳神经元分为未分化的CVG细胞（粉色），SGN（绿色）以及I型VGN（紫色）和II型VGN（黄色）。
最后，研究人员把三个不同时期的未分化的耳蜗前庭神经节前体细胞，和正在分化的内耳前庭神经节和螺旋神经节聚合在一起进行发育轨迹拟合分析。研究结果表明在E13.5阶段, 螺旋神经节亚型还没有出现。
与之相反，内耳前庭神经节谱系在E13.5阶段已经存在两种亚型（图2）：Tlx3+/Sall3+/Gata3- 的I型内耳前庭神经节和Tlx3+/Sall3-/Gata3+ 的II型内耳前庭神经节。因此，内耳前庭神经节亚型出现早于螺旋神经节亚型。这些细胞亚型的具体神经功能将是未来的一个重要研究方向。
图2 耳蜗前庭神经节前体细胞胚胎早期发育的示意图
中科院脑智卓越中心刘志勇研究员、李超副研究员和营养与健康所魏武研究员为该论文的共同通讯作者；脑智卓越中心博士研究生孙雨薇和营养与健康所博士研究生王露悦为该论文共同第一作者，脑智卓越中心研究助理吴柏霖和朱彤，博士研究生王广琴和罗正南也对课题做出了重要贡献。该研究得到了中科院脑智卓越中心分子细胞技术平台、光学成像平台以及实验动物平台（实验鼠房）的大力支持。该研究得到科技部、中科院、基金委、上海市的支持。
本文来源于“中科院神经所”、“脑科学与智能技术卓越创新中心”