2022年8月9日，《National Science Review》期刊在線發表了題為《內毛細胞發育和轉分化依賴Tbx2》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心劉志勇研究組完成。該研究揭示了轉錄因子Tbx2在耳蝸新生和成年內毛細胞 (inner hair cell, IHC)命運決定和轉分化中發揮重要功能；同時研究人員利用Tbx2與Atoh1共同異位表達，成功地將新生小鼠耳蝸支持細胞轉分化為表達功能蛋白vGlut3的內毛細胞 （或類IHC），為感音性耳聾的臨床治療提供了新的理論基礎。  

　　內毛細胞位于耳蝸聽覺上皮（又稱柯蒂氏器）內側，負責把聲音信號轉變為電信號，并傳遞到螺旋神經節。因此，內毛細胞的先天發育異常和后天損傷均會引起嚴重的聽力障礙。目前聽覺領域內有三個重要問題尚未解決：1）內毛細胞是如何分化成熟的？2）成熟內毛細胞的細胞命運是如何維持的？3）能否將耳蝸支持細胞轉變為成熟的、有功能的內毛細胞？  

　　為了回答上述三個核心問題，本項目研究人員首先利用單細胞轉錄組測序技術鑒定出Tbx2是一個在內毛細胞，而不在外毛細胞 (outer hair cell, OHC)表達的轉錄因子, 并在蛋白水平進行耳蝸不同發育時期的原位驗證 (圖1A-E)。為進一步研究Tbx2在內毛細胞中的正常生理功能，研究人員構建了Tbx2條件性基因敲除小鼠，發現內毛細胞在缺失Tbx2后，下調其功能蛋白基因vGlut3, 并開始額外表達外毛細胞特異基因Prestin (圖1F-G)。另外，野生型和Tbx2 ^-/- IHC之間的單細胞轉錄組分析發現Tbx2 ^-/-  IHC分別有862和442個基因顯著上調和下調，其中上調的主要包括外毛細胞基因，而下調表達的則主要為內毛細胞基因。該結果進一步證明Tbx2是調控內毛細胞正常分化的核心基因，缺失Tbx2后內毛細胞將不能進行正常分化，反而命運轉變為外毛細胞。因此，Tbx2 ^-/-  IHC也被稱作induced OHCs (iOHCs)。Tbx2基因不僅在新生內毛細胞表達，而且其表達水平在成年內毛細胞保持穩定 (圖1D-E)。研究人員發現在成年小鼠成熟內毛細胞內敲除Tbx2后，可以誘導出類似的命運轉變表型。因此，Tbx2不僅調控內毛細胞分化，而且也是維持成年內毛細胞細胞命運的關鍵基因。 

　　圖1. IHC缺失Tbx2后轉變為iOHC。(A-C) 單細胞轉錄組分析顯示轉錄因子Tbx2表達在IHC，但不表達在OHC。（D-E）Tbx2蛋白（白色）在新生（P1）和成年（P30）均表達在IHC，但不表達在OHC。(F-G) IHC在敲除Tbx2后(黃色箭頭)，vGlut3表達下調，同時Prestin表達上調。（H）Tbx2調控和維持IHC細胞命運的模式圖。 

　　非哺乳類動物如鳥類、魚類在聽覺毛細胞損傷后，其支持細胞可以迅速上調Atoh1, 再生出新的毛細胞從而完成聽力修復。但是哺乳類動物喪失了這個再生能力。劉志勇研究組構建了一種新的小鼠模型 (圖2A)，可以實現在耳蝸支持細胞內特異表達Tbx2和Atoh1，并以29.5%的重編程效率將其成功轉分化表達功能蛋白vGlut3的內毛細胞(圖2B-C)。掃描電鏡分析也顯示新生內毛細胞具有和野生型內毛細胞類似的纖毛分布特征 (圖2D-E)。該研究結果顯示Tbx2和Atoh1聯用產生的新生內毛細胞無論在數量上，還是在分化程度上，都較之前單獨Atoh1過表達有顯著的提高。簡而言之，該研究推動了哺乳動物耳蝸內毛細胞再生研究領域的進展，為內毛細胞損傷引起的耳聾治療提供了新途徑。  

　　圖2 Tbx2和Atoh1轉分化耳蝸支持細胞為vGlut3+的IHC。(A)新生小鼠耳蝸支持細胞轉分化為IHCs的示意圖。(B)對照組小鼠耳蝸支持細胞(主要是IBCs/IPhs)只表達紅色熒光蛋白，但不表達內毛細胞功能蛋白vGlut3 (白色箭頭)。(C)實驗組小鼠耳蝸支持細胞同時表達紅色熒光蛋白、Tbx2和Atoh1后轉變為vGlut3+ IHCs (黃色箭頭)。(D-E)掃描電鏡分析表明，與對照組相比(D)，實驗組小鼠(E)具有額外一排不連續的IHCs，這些IHCs頂部有纖毛形成（白色箭頭）。 

　　該工作在聽覺系統發育再生研究組劉志勇研究員的指導下，由助理研究員畢政鴻、副研究員李響和博士研究生任旻蕙共同完成。博士研究生顧云鵬、研究助理朱彤、博士研究生李書亭、王廣琴、孫素紅、孫雨薇對課題做出了重要貢獻。本研究在論文撰寫過程中得到了腦智卓越中心蒲慕明研究員、杜久林研究員、何杰研究員以及北京大學于翔教授的指導。中科院腦智卓越中心電鏡技術平臺、光學成像平臺、分子細胞技術平臺以及實驗動物平臺（實驗鼠房）予以本項目有力支持。該研究得到科技部、中國科學院、國家自然基金委員會和上海市的支持。