耳聋研究新突破：刘志勇/陆发隆合作揭示耳蜗中三个Atoh1增强子协同调控听觉毛细胞发育
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阅读： 2022/8/9 10:30:08
耳蜗毛细胞是声音的感受器，转录因子 Atoh1 突变小鼠完全丧失毛细胞，相反，过表达 Atoh1 能够额外产生更多的毛细胞。Atoh1 的重要生物学功能使之成为毛细胞发育再生领域的一个重要靶点。因此，探索 Atoh1 表达的调控机制具有重要的科学意义。
Atoh1 在毛细胞发育过程中高度动态变化，但其精准调控机制知之甚少。过去20年，Atoh1 增强子1（Eh1）被认为对 Atoh1 的表达至关重要。然而，这一假说一直未得到体内实验的证实，且毛细胞中是否存在尚未发现的其他 Atoh1 增强子也未知。
2022年8月4日，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）刘志勇研究组与中科院遗传与发育生物学研究所陆发隆研究组合作，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了题为：Three distinct Atoh1 enhancers cooperate for sound receptor hair cell development 的研究论文。
该研究解析了新生小鼠耳蜗毛细胞的全基因组开放染色质图谱，发现和验证了两个之前未知的 Atoh1 增强子。研究利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术敲除单个或同时敲除多个 Atoh1 增强子，揭示了 Atoh1 的三个增强子以剂量依赖性协同调控毛细胞发育。
该研究为 Atoh1 表达的精准表观遗传学调控机制提供了更深入的理论依据，并为耳蜗毛细胞再生提供了新的潜在靶点。
该研究利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术敲除 Eh1、Eh1 -/- 小鼠耳蜗毛细胞发育完全正常，这表明 Eh1 对于毛细胞的发育不是必需的。该结果和预期完全相反，提示毛细胞存在尚未发现的其他 Atoh1 增强子。
研究流式分选获得新生小鼠耳蜗毛细胞（图1A），并利用染色质开放性测序技术（ATAC-seq），建立了毛细胞的全基因组染色质开放图谱，发现了两个位于 Atoh1 远端的新增强子（Eh2和Eh3）。Eh2 和 Eh3 只在毛细胞中开放，而在对照组（小脑颗粒细胞前体细胞，同样表达 Atoh1）中处于关闭状态，提示 Eh2 和 Eh3 是毛细胞特异的调控元件（图1B）。
科研团队构建了转基因小鼠，验证了 Eh2 和 Eh3 是特异在毛细胞中活跃的增强子（图1C）。为了进一步探究 Eh2 和 Eh3 在毛细胞发育中的功能，研究在小鼠中分别敲除 Eh2 和 Eh3，毛细胞发育完全正常或者仅有弱的发育异常。而同时敲除 Eh2 和 Eh3，毛细胞数量明显减少；进一步发现，同时敲除三个 Atoh1 增强子使毛细胞数量进一步下降到最低点。正常的耳蜗毛细胞数量约2800个（图1D），敲除 Atoh1 的三个增强子后，毛细胞数量急剧减少到约86个（图1E），上述实验结果表明 Atoh1 的三个增强子协同调控毛细胞的形成。
研究人员利用 CUT&RUN 技术，揭示了 Atoh1 蛋白在耳蜗毛细胞中的全基因组结合位点，发现 Atoh1 可以直接结合到 Eh1、Eh2 和 Eh3 这三个增强子上，从而调控 Atoh1 自身的表达（图2）。该结果提供 Atoh1 的三个增强子被敲除后，Atoh1 表达水平显著下降，引起毛细胞数量急剧减少的分子机制。
该研究为在成年耳蜗支持细胞内如何重新启动 Atoh1 的表达提供了理论指导，有助于促进未来成年耳蜗毛细胞再生恢复研究。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2119850119
转自：生物世界
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