人類對聲音的感知也是由基因決定？中日學者發(fā)現影響聽力的重要基因
閆致強教授
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聽覺不僅與人們日常生活緊密相關，也是科學領域的重要研究問題之一。亞里士多德定義的五種感官中，介導嗅覺、味覺、視覺、觸覺的受體基因早已被相繼確定，兩位美國科學家也曾因發(fā)現氣味受體和嗅覺系統的組織方式而獲得了2004年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。但是，人類對聲音感知的核心——負責聽覺轉導的離子通道是由哪個基因編碼的，一直是個謎。
針對這一問題，復旦大學生命科學學院教授閆致強團隊與生命科學學院教授服部素之團隊、東京大學教授濡木理團隊合作，最終確認了TMC1/2為位于耳蝸毛細胞中真正的聽覺轉導離子通道，解決了已困擾聽覺領域近40年的問題。
11月21日，相關研究成果以《TMC1和TMC2是成孔的機械力敏感離子通道》（“TMC1 and TMC2 proteins 1 are pore-forming subunits of 2 mechanosensitive ion channels”）為題在線發(fā)表于《神經元》（Neuron）雜志。
另辟蹊徑，探秘聽覺轉導離子通道
科學家探索已久的耳蝸毛細胞中的聽覺轉導離子通道究竟是何方神圣？團隊用研究結果給出了答案——TMC1/2。
閆致強介紹，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，在聽覺轉導通道也有眾多的候選基因，都有可能影響聽覺轉導，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，是毛細胞機械轉導電流所必需的蛋白，位于發(fā)生機械轉導的靜纖毛（stereocilia）尖端，且均在毛細胞中表達。早前的研究已經通過遺傳學方法闡釋了編碼跨膜通道樣蛋白的TMC1與TMC2基因對小鼠聽力的重要性。
“通過之前的研究，我們知道了在小鼠中，TMC1突變會改變其機械敏感電流的特性。但是TMC1和TMC2蛋白是否是離子通道以及TMC1和TMC2是否為機械力門控卻一直不清楚?！遍Z致強解釋道：“離子通道是各種無機離子跨膜被動運輸的通路，這個被動運輸是順離子濃度梯度、從高向低流的；而門控就是像開關門一樣，有一個把關的過程。什么時候打開門？打開門讓什么物質進入？這是門控的兩個特性?！?/p>
團隊在研究過程中發(fā)現，TMC蛋白在培養(yǎng)的細胞中表達時，難以被運輸到細胞膜上，導致其電生理特征難以被正常記錄。為了克服這一技術難題，團隊另辟蹊徑，將純化所得的TMC1和TMC2蛋白質進行脂質體重組，體外探究TMC蛋白質是否確實作為離子通道發(fā)揮功能。
“簡單理解，脂質體重組就是我們運用人工的方法制作了一個‘細胞’，它擁有和細胞同樣的雙層膜結構，然而又不同于真正的細胞，因此就稱其為脂質體重組?！遍Z致強說。
為進行體外重建，團隊使用正交篩選，通過基于熒光檢測體積排阻色譜的熱穩(wěn)定性檢驗（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）能夠在昆蟲細胞中高純度表達。
“基因表達是指將來自基因的遺傳信息合成功能性基因產物的過程，主要包括轉錄和翻譯等環(huán)節(jié)。”閆致強解釋道，這就好比種麥子，在不同的地里種麥子，有的產量高、有的產量低，有的甚至都長不出來?！盎虮磉_是類似的道理，也分高表達、低表達和不表達的情況。做實驗時我們希望表達量高、純度好，就像種麥子時也希望它產量高?！?/p>
在隨后的脂質體重組實驗中，團隊發(fā)現TMC蛋白的確具有離子通道活性，表現為外加電壓能夠造成蛋白孔道自發(fā)打開，產生電流。通過使用高速壓力鉗（high-speed pressure clamp, HSPC）對重組CmTMC1和MuTMC2通道施加壓力，發(fā)現二者均可以直接響應機械力，且響應電流強度與單通道打開概率隨所施壓力增加而增加。另一方面，研究基于導致小鼠失聰的Tmc1突變體蛋白構建了數個保守氨基酸突變的CmTMC1點突變蛋白。體外脂質體重建與功能性實驗表明，這些突變體蛋白或具有離子通道活性缺陷，或具有機械響應缺陷。
雖然團隊的研究主要集中于CmTMC1和MuTMC2，但其與小鼠的TMC1和TMC2蛋白具有高度進化的保守性?！耙簿褪钦f，基本可以認為在CmTMC1和MuTMC2發(fā)現的研究結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。這表明在哺乳動物中，TMC1/2很可能也是離子通道，并且同樣能夠響應機械力。此外，TMC1/2還與人類聽力損傷密切相關?！遍Z致強補充。
閆致強教授與團隊學生
揭開謎團，解決聽覺領域卡脖子問題
“對聽覺的理解最終是理解聽覺如何轉導，即聲音如何轉導為電信號，這一直是聽覺領域最核心的問題，然而40年來這一問題都未能得到解決，可以說是一個卡脖子的問題?！遍Z致強說：“只有把這個卡脖子的問題解決了，后續(xù)的研究才能順氣兒。”
人類對聲音的感知始于內耳中的柯蒂氏器（Corti organ）。柯蒂氏器中含有超過16000個毛細胞，而將聲音由機械信號轉換為電信號的機械傳導通道即被認為定位于毛細胞上呈階梯狀排列的毛細胞發(fā)束（hair cell bundle）上。約40年前，COREY和HUDSPETH記錄了聽覺毛細胞的聽覺轉導電流，然而經過多年的研究，負責聽覺轉導的分子卻一直未能確定，成為聽覺領域研究一個亟待解決的至關重要的問題。
介導嗅覺、味覺、視覺、觸覺的受體基因早已被相繼確定，聽覺領域卻還未能明確聽覺轉導的核心問題。抱著探索未知、揭開謎團的決心，團隊于2017年開始了研究工作，創(chuàng)新采用脂質體重組等方法最終明確聽覺轉導的離子通道，解開五種感覺受體的最后一個謎團。
“研究明確了聽覺轉導的離子通道，醫(yī)學方面就能進一步探討對聽覺受損的治療機制，而治療案例的累計也能幫助發(fā)現新的突變。實驗室和臨床是相互促進的。”閆致強表示，在進行基礎科研的同時，團隊也將在新生兒聽力遺傳缺陷的機理研究，以及其預防、診斷和治療方向做出努力。
復旦大學生命科學學院教授閆致強構思了課題、設計了實驗、領導了該研究，為本研究的共同通訊作者和主要負責人 （lead contact）。復旦大學生命科學學院教授服部素之和東京大學教授濡木理為本文的共同通訊作者。閆致強實驗室博士生賈巖巖、服部素之實驗室博士后趙一夢以及濡木理實驗室的博士Tsukasa Kusakizako為本文共同第一作者，博士生王垚、潘成芳、張玉瑋參與了該項課題的研究。研究得到中組部千人計劃（青年）、國家基金委、國家科技部、上海市教委東方學者、上海千人、上海市科委啟明星計劃等基金項目，復旦大學生命科學學院、遺傳工程國家重點實驗室、醫(yī)學神經生物學國家重點實驗室等單位的支持。
TMC1和TMC2在聽覺轉導中的作用示意圖
論文鏈接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(19)30890-6
注：本文轉載自復旦大學新聞網。
