Front Cell Neurosci︱施鹏/刘振课题组合作揭示多种因素感音性听力损失的共有分子机制
撰文︱陈 鹏
责编︱王思珍
感音性听力损失（sensorineural hearing loss，SNHL）是最常见的听力损失类型，主要由于内耳及听神经结构和功能受损所致，包括耳蜗毛细胞（hair cells）、血管纹（stria vascularis），螺旋神经节神经元（spiral ganglion neurons）和听神经（auditory nerves）等。SNHL大概占所有听力损失类型的90%左右[1]。衰老、噪声暴露和耳毒性药物是SNHL的三个主要原因[2]。在世界范围内，有超过一半的60岁以上老年人患有老年性听力损失（age-related hearing loss）[3]；工作环境中的噪音污染大约造成约16%的从业人员一定程度的噪音性听力损失（noise-induced hearing loss），其中发展中国家这一比例可达到21% [4]；耳毒性（ototoxicity）是某些治疗药物具有附加的损伤耳蜗的特性，在接受治疗的患者中造成不同程度的耳毒性听力损失（ototoxicity-induced hearing loss），其发生率从4%到90%不等[5]。其中接受化疗药物顺铂（cisplatin）治疗的癌症患者出现耳毒性听力损失的比例最高可达70%[6]。
上述三种SNHL内耳的毛细胞、血管纹和螺旋神经节神经元等结构的病理学特征非常相似，这提示着三种SNHL可能存在相同的分子机制。尽管多数的研究都集中在其中一个或两个因素进行探究，但一些共同涉及的生物学过程也有所体现，包括线粒体功能障碍、氧化应激、凋亡、炎症和免疫反应等[7, 8]。然而，多种因素的感音性听力损失共有的分子机制仍缺乏系统性地有效验证。
最近，中国科学院昆明动物研究所的施鹏研究员和刘振研究员合作团队在Frontiers in Cellular Neuroscience上发表了一篇题为“Integrative functional transcriptomic analyses implicate shared molecular circuits in sensorineural hearing loss”的研究工作，该研究通过对其构建的衰老、噪音暴露和耳毒性药物顺铂诱导的三种听力损失模型小鼠的耳蜗进行转录组测序分析及相关功能验证，系统性地揭示了多种因素的感音性听力损失共有的分子机制。
研究者们首先利用C57BL/6小鼠确立三种听力损失的动物模型（图1A）。衰老模型：2月龄小鼠，8月龄小鼠和12月龄小鼠；噪音模型：在2月龄小鼠进行强噪音（4-24 kHz，120 dB SPL）暴露2小时，分别选取噪音暴露后1小时和24小时作为研究的时间点；顺铂耳毒性模型：在2月龄小鼠进行顺铂（10 mg/kg剂量）和呋塞米利尿剂（200 mg/kg剂量）的单次腹腔注射，分别选取注射后1天和3天作为研究的时间点。通过对三种听力损失模型进行听性脑干电位（auditory brainstem responses）检测（图1B）和耳蜗毛细胞染色（图1C-L），确定了三种听力损伤模型的稳定性。
图1 三种SNHL小鼠模型的代表性表型
（图源：Chen, P et al., Front Cell Neurosci, 2022）
在确立了三种听力损失的小鼠动物模型后，为了探究三种听力损失共有的分子机制，研究者们对三种动物模型的耳蜗进行转录组测序。PCA（principal components analysis）结果显示，相同动物模型的耳蜗样本趋于聚类在一起,有着很好的样本重复性（图2A）。利用WGVNA（signed weighted gene coexpression network analysis）方法共输出了22个共表达模块（module），涉及17040个基因的表达动态（图2B）。研究者们接着通过计算每个模块基因的表达特征（module eigengene）在三种听力损失模型彼此间的皮尔逊相关系数（R）值，最终确定了2个上调的共表达模块和1个下调的共表达模块（R > 0.85）（图2C）。这个三个模块的基因被认为是在三种听力损失中的表达动态是相似的，即三种听力损失共有的分子机制。同时，GO（Gene Ontology）富集分析结果显示，上调基因富集的TOP5的GO terms中包括了免疫系统过程、炎症应答、凋亡过程，而下调基因富集的TOP5的GO terms中包括了转运和离子转运过程（图2D）。这些结果显示三种感音性听力损失存在相同的分子机制，其中上调基因显著参与了免疫、炎症、凋亡等生物学过程，下调基因显著参与了离子转运等生物学过程。
图2 共表达网络及GO富集分析
（图源：Chen, P et al., Front Cell Neurosci, 2022）
进一步通过KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）富集分析表明，上调基因显著富集在NF-kappa B信号通路、TNF信号通路、Jak-STAT 信号通路等与免疫、炎症、凋亡等生物学过程相关的信号通路（图3A），并且通过蛋白互作（protein-protein interaction，PPI）分析出的hub基因多集中参与了这些信号通路（图3B, C）；下调基因显著富集在氧化磷酸化生物学过程中（图3D），同样其蛋白互作的hub基因也多集中参与其中（图3E, F）。这些结果表明了共有的上调和下调基因显著参与的信号通路与GO富集结果一致，同时提示了一些在三种听力损失中有重要作用的hub基因，如炎症因子基因IL1B和趋化因子基因CCL2（图3C）。
图3 信号通路富集和蛋白互作（PPI）网络分析
（图源：Chen, P et al., Front Cell Neurosci, 2022）
研究者们进一步选取了上调基因中的IL1B和CCL2进行功能验证实验。之前的几项研究表明，噪声暴露后IL1B和CCL2在耳蜗中的表达增加，表明它们在噪声诱导SNHL的产生中发挥着关键作用[9-11]。HEI-OC1（House ear institute-organ of Corti 1）细胞系是一种被广泛用于研究耳蜗毛细胞损失和生存的细胞系[12]。因此，研究者们在HEI-OC1细胞系中，通过D-半乳糖 （D-gal）诱导衰老和顺铂诱导耳毒性来验证IL1B和CCL2在衰老和耳毒性SNHL的潜在贡献。结果显示，干扰IL1B或CCL2在衰老模型（D-gal诱导）中的表达能显著增强衰老模型的细胞活性（图4A, B），而过表达IL1B或CCL2能进一步降低衰老模型的细胞活性（图4C, D）。类似的结果也在顺铂诱导的耳毒性模型中得到验证（图4E-H）。另外，干扰IL1B和CCL2在两种模型中的表达均可以显著降低细胞ROS水平，而过表达IL1B和CCL2则显著促进细胞ROS的积累（图4I-L）。这些结果提示IL1B和CCL2可能通过促进细胞ROS的积累来影响三种SNHL的发生。
图4 IL1B和CCL2对SNHL潜在贡献的实验验证。
（图源：Chen, P et al., Front Cell Neurosci, 2022）
综上所述，研究者们系统性地为不同类型的感音性听力损失（SNHL）中存在共有的分子机制提供了证据，并强调了未来研究多种因素的SNHL共有分子机制的重要性。同时，该研究提出了一些可以预防或改善衰老、噪音和耳毒性SNHL的治疗药物的共同潜在靶点。
目前世界上并没有一款可以治疗任何一种SNHL的药物问世，因此对SNHL的机制仍有待进一步研究，对多种因素的SNHL的综合性研究可以有助于我们更深入地认识SNHL的发病机制。
原文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2022.857344/full
通讯作者施鹏研究员（左）和刘振研究员（右）
（照片提供自：中国科学院昆明动物研究所施鹏/刘振团队）
【1】Cell Death Dis︱李纤课题组揭示少突胶质前体细胞铁死亡在脑出血后白质损伤中的作用
【2】Front Mol Neurosci︱高尚邦课题组解析运动神经元震荡子的构成与分子机制
【3】Nat Neurosci综述︱双光子全息光遗传学技术探测神经编码
【4】Mol Psychiatry︱生物钟基因Bmal1在自闭症及小脑共济失调的小鼠模型中的作用
【5】Science︱小鼠快速眼动睡眠由基底外侧杏仁核多巴胺信号调节
【6】Nat Neurosci︱双相情感障碍患者杏仁核和前扣带回神经免疫和突触相关通路下调
【7】Nat Commun︱周小明/孙子宜团队根据Sigma-1受体开放式构象揭示其配体进入途径的分子机制
【8】Glia︱袁增强课题组揭示调控少突胶质前体细胞增殖新机制：c-Abl通过磷酸化Olig2
【9】HBM︱俞连春课题组揭示大脑雪崩临界现象与流体智力以及工作记忆的关系
【10】J Neuroinflammation︱顾小萍课题组揭示星形胶质细胞网络在长时程异氟烷麻醉介导的术后认知功能障碍中的重要作用
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参考文献（上下滑动查看）
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制版︱王思珍
本文完