人類對(duì)聲音的感知也是由基因決定？中日學(xué)者發(fā)現(xiàn)影響聽力的重要基因
閆致強(qiáng)教授
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聽覺不僅與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)，也是科學(xué)領(lǐng)域的重要研究問題之一。亞里士多德定義的五種感官中，介導(dǎo)嗅覺、味覺、視覺、觸覺的受體基因早已被相繼確定，兩位美國(guó)科學(xué)家也曾因發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺系統(tǒng)的組織方式而獲得了2004年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。但是，人類對(duì)聲音感知的核心——負(fù)責(zé)聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)的離子通道是由哪個(gè)基因編碼的，一直是個(gè)謎。
針對(duì)這一問題，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授閆致強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與生命科學(xué)學(xué)院教授服部素之團(tuán)隊(duì)、東京大學(xué)教授濡木理團(tuán)隊(duì)合作，最終確認(rèn)了TMC1/2為位于耳蝸毛細(xì)胞中真正的聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道，解決了已困擾聽覺領(lǐng)域近40年的問題。
11月21日，相關(guān)研究成果以《TMC1和TMC2是成孔的機(jī)械力敏感離子通道》（“TMC1 and TMC2 proteins 1 are pore-forming subunits of 2 mechanosensitive ion channels”）為題在線發(fā)表于《神經(jīng)元》（Neuron）雜志。
另辟蹊徑，探秘聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道
科學(xué)家探索已久的耳蝸毛細(xì)胞中的聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道究竟是何方神圣？團(tuán)隊(duì)用研究結(jié)果給出了答案——TMC1/2。
閆致強(qiáng)介紹，正如汽車失靈有缺少燃料、方向盤失靈、輪胎爆胎等多種可能原因，在聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)通道也有眾多的候選基因，都有可能影響聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)，這其中就包括TMC1和TMC2基因。TMC1和TMC2最早在耳聾患者中被發(fā)現(xiàn)，是毛細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)電流所必需的蛋白，位于發(fā)生機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的靜纖毛（stereocilia）尖端，且均在毛細(xì)胞中表達(dá)。早前的研究已經(jīng)通過遺傳學(xué)方法闡釋了編碼跨膜通道樣蛋白的TMC1與TMC2基因?qū)π∈舐犃Φ闹匾浴?/p>
“通過之前的研究，我們知道了在小鼠中，TMC1突變會(huì)改變其機(jī)械敏感電流的特性。但是TMC1和TMC2蛋白是否是離子通道以及TMC1和TMC2是否為機(jī)械力門控卻一直不清楚?！遍Z致強(qiáng)解釋道：“離子通道是各種無機(jī)離子跨膜被動(dòng)運(yùn)輸?shù)耐罚@個(gè)被動(dòng)運(yùn)輸是順離子濃度梯度、從高向低流的；而門控就是像開關(guān)門一樣，有一個(gè)把關(guān)的過程。什么時(shí)候打開門？打開門讓什么物質(zhì)進(jìn)入？這是門控的兩個(gè)特性。”
團(tuán)隊(duì)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，TMC蛋白在培養(yǎng)的細(xì)胞中表達(dá)時(shí)，難以被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜上，導(dǎo)致其電生理特征難以被正常記錄。為了克服這一技術(shù)難題，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將純化所得的TMC1和TMC2蛋白質(zhì)進(jìn)行脂質(zhì)體重組，體外探究TMC蛋白質(zhì)是否確實(shí)作為離子通道發(fā)揮功能。
“簡(jiǎn)單理解，脂質(zhì)體重組就是我們運(yùn)用人工的方法制作了一個(gè)‘細(xì)胞’，它擁有和細(xì)胞同樣的雙層膜結(jié)構(gòu)，然而又不同于真正的細(xì)胞，因此就稱其為脂質(zhì)體重組。”閆致強(qiáng)說。
為進(jìn)行體外重建，團(tuán)隊(duì)使用正交篩選，通過基于熒光檢測(cè)體積排阻色譜的熱穩(wěn)定性檢驗(yàn)（fluorescence-detection size-exclusion chromatography-based thermostability assay, FSEC-TS）篩選了來自21種不同物種的TMC蛋白。其中，來自綠海龜（Chelonia mydas）的TMC1（CmTMC1）與來自虎皮鸚鵡（Melopsittacus undulates）的TMC2（MuTMC2）能夠在昆蟲細(xì)胞中高純度表達(dá)。
“基因表達(dá)是指將來自基因的遺傳信息合成功能性基因產(chǎn)物的過程，主要包括轉(zhuǎn)錄和翻譯等環(huán)節(jié)?！遍Z致強(qiáng)解釋道，這就好比種麥子，在不同的地里種麥子，有的產(chǎn)量高、有的產(chǎn)量低，有的甚至都長(zhǎng)不出來。“基因表達(dá)是類似的道理，也分高表達(dá)、低表達(dá)和不表達(dá)的情況。做實(shí)驗(yàn)時(shí)我們希望表達(dá)量高、純度好，就像種麥子時(shí)也希望它產(chǎn)量高?！?/p>
在隨后的脂質(zhì)體重組實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)TMC蛋白的確具有離子通道活性，表現(xiàn)為外加電壓能夠造成蛋白孔道自發(fā)打開，產(chǎn)生電流。通過使用高速壓力鉗（high-speed pressure clamp, HSPC）對(duì)重組CmTMC1和MuTMC2通道施加壓力，發(fā)現(xiàn)二者均可以直接響應(yīng)機(jī)械力，且響應(yīng)電流強(qiáng)度與單通道打開概率隨所施壓力增加而增加。另一方面，研究基于導(dǎo)致小鼠失聰?shù)腡mc1突變體蛋白構(gòu)建了數(shù)個(gè)保守氨基酸突變的CmTMC1點(diǎn)突變蛋白。體外脂質(zhì)體重建與功能性實(shí)驗(yàn)表明，這些突變體蛋白或具有離子通道活性缺陷，或具有機(jī)械響應(yīng)缺陷。
雖然團(tuán)隊(duì)的研究主要集中于CmTMC1和MuTMC2，但其與小鼠的TMC1和TMC2蛋白具有高度進(jìn)化的保守性?！耙簿褪钦f，基本可以認(rèn)為在CmTMC1和MuTMC2發(fā)現(xiàn)的研究結(jié)果同樣適用于小鼠的TMC1和TMC2蛋白。而在這方面，小鼠與人是非常相似的。這表明在哺乳動(dòng)物中，TMC1/2很可能也是離子通道，并且同樣能夠響應(yīng)機(jī)械力。此外，TMC1/2還與人類聽力損傷密切相關(guān)?！遍Z致強(qiáng)補(bǔ)充。
閆致強(qiáng)教授與團(tuán)隊(duì)學(xué)生
揭開謎團(tuán)，解決聽覺領(lǐng)域卡脖子問題
“對(duì)聽覺的理解最終是理解聽覺如何轉(zhuǎn)導(dǎo)，即聲音如何轉(zhuǎn)導(dǎo)為電信號(hào)，這一直是聽覺領(lǐng)域最核心的問題，然而40年來這一問題都未能得到解決，可以說是一個(gè)卡脖子的問題?！遍Z致強(qiáng)說：“只有把這個(gè)卡脖子的問題解決了，后續(xù)的研究才能順氣兒?！?/p>
人類對(duì)聲音的感知始于內(nèi)耳中的柯蒂氏器（Corti organ）?？碌偈掀髦泻谐^16000個(gè)毛細(xì)胞，而將聲音由機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的機(jī)械傳導(dǎo)通道即被認(rèn)為定位于毛細(xì)胞上呈階梯狀排列的毛細(xì)胞發(fā)束（hair cell bundle）上。約40年前，COREY和HUDSPETH記錄了聽覺毛細(xì)胞的聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)電流，然而經(jīng)過多年的研究，負(fù)責(zé)聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子卻一直未能確定，成為聽覺領(lǐng)域研究一個(gè)亟待解決的至關(guān)重要的問題。
介導(dǎo)嗅覺、味覺、視覺、觸覺的受體基因早已被相繼確定，聽覺領(lǐng)域卻還未能明確聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)的核心問題。抱著探索未知、揭開謎團(tuán)的決心，團(tuán)隊(duì)于2017年開始了研究工作，創(chuàng)新采用脂質(zhì)體重組等方法最終明確聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)的離子通道，解開五種感覺受體的最后一個(gè)謎團(tuán)。
“研究明確了聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)的離子通道，醫(yī)學(xué)方面就能進(jìn)一步探討對(duì)聽覺受損的治療機(jī)制，而治療案例的累計(jì)也能幫助發(fā)現(xiàn)新的突變。實(shí)驗(yàn)室和臨床是相互促進(jìn)的。”閆致強(qiáng)表示，在進(jìn)行基礎(chǔ)科研的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也將在新生兒聽力遺傳缺陷的機(jī)理研究，以及其預(yù)防、診斷和治療方向做出努力。
復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授閆致強(qiáng)構(gòu)思了課題、設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)、領(lǐng)導(dǎo)了該研究，為本研究的共同通訊作者和主要負(fù)責(zé)人 （lead contact）。復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授服部素之和東京大學(xué)教授濡木理為本文的共同通訊作者。閆致強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室博士生賈巖巖、服部素之實(shí)驗(yàn)室博士后趙一夢(mèng)以及濡木理實(shí)驗(yàn)室的博士Tsukasa Kusakizako為本文共同第一作者，博士生王垚、潘成芳、張玉瑋參與了該項(xiàng)課題的研究。研究得到中組部千人計(jì)劃（青年）、國(guó)家基金委、國(guó)家科技部、上海市教委東方學(xué)者、上海千人、上海市科委啟明星計(jì)劃等基金項(xiàng)目，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、遺傳工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位的支持。
TMC1和TMC2在聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用示意圖
論文鏈接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(19)30890-6
注：本文轉(zhuǎn)載自復(fù)旦大學(xué)新聞網(wǎng)。
