生命學(xué)院熊巍課題組揭示動物超聲聽覺的分子和細(xì)胞機(jī)制
人類能聽見的聲音頻率范圍在20 Hz到20 kHz之間，然而有些動物發(fā)展出了超常的感受和產(chǎn)生高頻聲音(>20 kHz)的能力，稱之為超聲聽覺(Ultrasonic hearing)和超聲發(fā)聲(Ultrasonic vocalization)。基于超聲的聽覺參與很多重要的生理功能和動物行為，包括：種群內(nèi)的社會交流行為，例如：幼小動物呼喚母親的照顧、成年雄性的爭斗、以及雌雄間的求偶等；這些超聲發(fā)聲因頻率范圍高于捕食者的聽覺范圍而可以不被天敵所探知，或者抵抗周邊環(huán)境例如瀑布等的噪音；蝙蝠、海豚等動物可以利用自己發(fā)射的超聲進(jìn)行回聲定位，實(shí)現(xiàn)在黑暗環(huán)境獵食和導(dǎo)航。通過超聲進(jìn)行交流的動物，包括小鼠在內(nèi)，其聽覺頻率范圍遠(yuǎn)大于人類，甚至能高于100kHz，然而這么高頻的聲音是怎么被動物所感知的，也就是說超聲聽覺從何而來，其生物學(xué)基礎(chǔ)并不清楚。
在本研究中，作者首先發(fā)展了超聲測聽方法，實(shí)現(xiàn)了可以在超高頻段刺激和記錄小鼠的聽覺反應(yīng)。通過引入Pax2-Cre小鼠和Atoh1-Cre小鼠，和Piezo2-loxp小鼠雜交構(gòu)建出耳蝸組織特異性敲除Piezo2的小鼠，發(fā)現(xiàn)Piezo2參與動物的超聲聽覺。作者進(jìn)一步采用超聲刺激關(guān)聯(lián)的動物習(xí)得行為學(xué)，發(fā)現(xiàn)Piezo2的條件性敲除小鼠雖然能學(xué)會記住常規(guī)頻段的聲音刺激，表現(xiàn)出Freezing現(xiàn)象，但是它們無法學(xué)會（聽到）超聲頻段的聲音刺激。
對PIEZO2蛋白的細(xì)胞表達(dá)的鑒定，我們用了三種方法，第一種是Piezo2-Cre小鼠和熒光報告小鼠雜交發(fā)現(xiàn)Piezo2表達(dá)于所有外毛細(xì)胞和一部分內(nèi)毛細(xì)胞中；在新生小鼠耳蝸的免疫組化實(shí)驗(yàn)表明其在外毛細(xì)胞的頂板上有特異表達(dá)；在成年的耳蝸毛細(xì)胞中通過RNAscope的方法看到Piezo2的持續(xù)表達(dá)。
作者進(jìn)一步確定參與超聲聽覺的毛細(xì)胞類型：通過引入Prestin-CreER小鼠，構(gòu)建出Piezo2外毛細(xì)胞特異性敲除小鼠，發(fā)現(xiàn)Piezo2外毛細(xì)胞特異性敲除小鼠存在超聲聽覺問題；通過vGlut3-CreER小鼠和Piezo2-loxp小鼠雜交，得到Piezo2內(nèi)毛細(xì)胞特異性敲除的小鼠，發(fā)現(xiàn)并沒有出現(xiàn)超聲聽覺的異常。從而得出結(jié)論，耳蝸外毛細(xì)胞是Piezo2介導(dǎo)超聲聽覺的靶細(xì)胞。
最終，作者建立了耳蝸超聲刺激和鈣成像平臺，實(shí)時觀測了超聲刺激下外毛細(xì)胞的反應(yīng)，進(jìn)一步確認(rèn)外毛細(xì)胞有超聲刺激導(dǎo)致的鈣活動，而且這種鈣活動在Piezo2敲除的外毛細(xì)胞上消失了，有意思的是毛細(xì)胞毛束上的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)通道也參與了超聲轉(zhuǎn)導(dǎo)這一過程。
綜上所述，我們首先從無到有的開發(fā)了一系列技術(shù)和方法，結(jié)合小鼠遺傳學(xué)，鑒定Piezo2是超聲感知的分子之一，而且發(fā)現(xiàn)Piezo2是通過外毛細(xì)胞發(fā)揮作用的。該研究首次揭示了的超聲聽覺和超聲轉(zhuǎn)導(dǎo)的生物學(xué)機(jī)制，提示可能的聽覺解析頻率的新機(jī)制，為研究基于聽覺和言語的社交行為的相關(guān)神經(jīng)機(jī)制提供新的動物模型。
2021年7月13日，清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華大學(xué)生命學(xué)院熊巍課題組，在美國科學(xué)院院刊（PNAS）上在線發(fā)表了標(biāo)題為“PIEZO2在耳蝸外毛細(xì)胞上介導(dǎo)小鼠的超聲聽覺”(PIEZO2 mediates ultrasonic hearing via cochlear outer hair cells in mice)的研究論文，詳細(xì)闡述了超聲聽覺的分子和細(xì)胞機(jī)制。熊巍研究員為本文的通訊作者，生命學(xué)院博士生李杰、劉雙、宋晨萌、胡群和趙智鍇為本文的共同第一作者。清華大學(xué)藥學(xué)院鄧團(tuán)團(tuán)，清華大學(xué)生命學(xué)院博士生鄒林志、王淑峰、陳姣鳳、劉戀，清華大學(xué)生命學(xué)院博士后王祎，清華大學(xué)生命學(xué)院技術(shù)員朱彤和侯函青，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍教授，北京腦科學(xué)與類腦研究中心孫文智研究員，中科院上海神經(jīng)所劉志勇研究員，陸軍軍醫(yī)大學(xué)諶小維教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院苑克鑫教授，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮教授，均為本研究做出了重要貢獻(xiàn)。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/28/e2101207118
圖1：超聲聽覺廣泛存在于小鼠的社會交流行為中，包括：種群內(nèi)的社會交流行為，例如：幼小動物呼喚母親的照顧、成年雄性的爭斗、以及雌雄間的求偶等。本文發(fā)現(xiàn)超聲聽覺（Ultrasonic hearing）是通過耳蝸外毛細(xì)胞（Outer hair cells）所感受，并由機(jī)械敏感通道PIEZO2所介導(dǎo)
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