作為五大感覺器官之一，耳蝸能夠感知外界的聲波震動，将聲音信号轉換為電信号傳遞到大腦的颞葉形成聽覺。随着年齡的增長，耳蝸的生理功能逐漸退化，從而導緻老年性耳聾的發生，嚴重影響老年人的生活質量。解析耳蝸衰老的機制是理解并幹預老年性耳聾的重要基礎。然而，耳蝸結構精巧且複雜，由耳蝸柯蒂氏器、基底膜、蝸軸、血管紋、螺旋韌帶等不同解剖區域組成，包含數十種細胞類型，傳統方法難以精确揭示耳蝸衰老過程中不同細胞類型的衰老規律及分子調控網絡。
2022年11月12日，中國科學院動物研究所劉光慧課題組、bet356在线官方网站柴人傑課題組、首都醫科大學宣武醫院王思課題組以及中國科學院動物研究所曲靜課題組合作，在Protein & Cell雜志在線發表題為“Single-cell Transcriptomic Atlas of Mouse Cochlear Aging”的研究論文。該研究首次系統地繪制了小鼠耳蝸衰老的高分辨跨時序單細胞轉錄組圖譜，揭示了增齡伴随的耳蝸功能減退的關鍵時間節點以及細胞分子調控機制，為發掘耳蝸衰老及相關退變的早期預警标志和潛在幹預靶标提供了理論依據。
在該項研究中，研究人員分别獲取了1、2、5、12、15月齡C57BL/6J小鼠的耳蝸組織，通過聽力功能檢測發現：随着月齡增加，C57BL/6J小鼠表現出高頻聽力丢失的特征，這與人類老年性耳聾的特征較為相似。進一步的組織學分析發現，耳蝸衰老的特征表現為：内毛細胞、外毛細胞、螺旋神經元和螺旋韌帶區域的纖維細胞等重要細胞類型均發生了不同程度的丢失，以及衰老相關的血管紋萎縮等。為明确小鼠耳蝸衰老過程中的細胞和分子變化規律，研究人員利用高通量單細胞轉錄組測序技術，系統地揭示了耳蝸柯蒂氏器、基底膜、蝸軸、血管紋、螺旋韌帶等區域，包括毛細胞(Hair cell, HC)、螺旋神經元(Spiral ganglion neuron, SGN)、血管紋中層細胞(Intermediate cell, IC)等在内的27種耳蝸細胞類型衰老伴随的基因表達特征。
研究發現，耳蝸細胞的轉錄噪音随着增齡而升高，表明衰老導緻耳蝸細胞RNA表達的不穩定性增加。其中，血管紋中層細胞轉錄噪音的增加尤為顯著。為了确定耳蝸衰老的時間規律，研究人員通過不同時間點之間的配對比較分析，鑒定了特定時間點之間的差異基因（Pairwise differentially expressed genes，PDEGs），并發現5月齡時小鼠耳蝸已經展現出細胞衰老的轉錄譜特征。通過分析PDEGs的數量，發現血管紋中層細胞在衰老過程中表現出較多的基因表達差異。不同于時間點之間的兩兩比較，多個時間節點能夠識别動态差異表達基因（Dynamic differentially expressed genes，DDEGs），以高分辨率的形式研究基因表達随時間的連續變化理論上更能揭示耳蝸衰老的跨時序變化規律。因此，研究人員進一步通過構建相應算法并鑒定出包括持續上調和持續下調等6種表達模式的DDEGs基因集，其中血管紋中層細胞擁有較多的持續上調和持續下調的差異表達基因。持續上調的基因主要與未折疊蛋白反應（UPR）、細胞凋亡、以及免疫炎性反應相關，持續下調的基因主要與離子轉運、細胞基質黏附等相關，提示耳蝸衰老過程中伴随着細胞損傷的累積和功能下降。
研究人員進一步聚焦于血管紋中層細胞，通過對UPR通路的詳細分析，發現UPR的三個主要分支通路（包括ATF6、IRE1和PERK信号通路）的相關基因的表達均随着衰老上調。一方面，UPR下遊的應激代償通路，包括内質網分子伴侶、内質網相關蛋白降解、NRF2等通路相關基因的表達随衰老而升高。另一方面，凋亡相關基因的表達也呈現出増齡伴随的上調。這些結果提示UPR代償通路不足以抵消增齡伴随的持續的内質網應激，無法阻止耳蝸衰老相關損傷，進而引起中層細胞的凋亡。此外，研究發現血管紋中層細胞中UPR相關基因Hsp90aa1的上調最為明顯，提示其可能作為耳蝸衰老相關損傷的潛在調控因子在中層細胞衰老中發揮作用。實驗表明，在小鼠血管紋細胞中敲低Hsp90aa1可加劇細胞的UPR和凋亡程度，而激活Hsp90aa1可減輕應激壓力下細胞内蛋白聚集并拮抗細胞凋亡。以上研究成果提示靶向Hsp90aa1-UPR通路可能為耳蝸衰老的幹預提供新思路、新策略。
該研究首次報道了小鼠耳蝸衰老的跨多時間點的高分辨單細胞轉錄組景觀圖譜，系統地解析了耳蝸組織中多種細胞類型随衰老變化的規律，揭示了耳蝸衰老的新的分子特征。研究不僅加深了人們對耳蝸結構和功能增齡性退變的認識，闡明了耳蝸衰老過程的關鍵易感細胞類型及易感分子，且為評估耳蝸衰老程度及預警老年性耳聾提供了潛在的診斷生物标志物，為發展靶向耳蝸衰老的幹預新策略奠定了理論基礎。
中國科學院動物研究所劉光慧研究員、bet356在线官方网站柴人傑教授、首都醫科大學宣武醫院王思研究員、中國科學院動物研究所曲靜研究員為該論文共同通訊作者。中國科學院動物研究所博士研究生孫國強、鄭彥東，bet356在线官方网站付小龍副教授，中國科學院北京基因組研究所張維绮、任捷研究員為該論文共同第一作者。
相關數據已上傳至衰老多組學數據庫Aging Atlas (https://ngdc.cncb.ac.cn/aging/landscape?project=Mouse_Cochlea)。
原文鍊接：https://academic.oup.com/proteincell/advance-article/doi/10.1093/procel/pwac058/6823876
(轉自BioArt公衆号)
