近日，上?？萍即髮W(xué)鐘桂生（iHuman研究所PI，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授）課題組與東南大學(xué)柴人杰課題組、上?？萍即髮W(xué)何水金（生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授）課題組合作，利用超分辨率熒光顯微技術(shù)在骨架蛋白研究中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)耳蝸毛細(xì)胞表皮板的骨架結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究，共同發(fā)現(xiàn)了血影蛋白(Spectrin)以及肌動(dòng)蛋白(F-actin)在毛細(xì)胞表皮板中的全新結(jié)構(gòu)，并揭示上述結(jié)構(gòu)對(duì)小鼠聽(tīng)力功能發(fā)育的關(guān)鍵作用。研究結(jié)果分別以Critical role of spectrin in hearing development and deafness和A cytoskeleton structure revealed by super-resolution fluorescence imaging in inner ear hair cells為題在Science Advances（北京時(shí)間：2019年4月18日在線(xiàn)發(fā)表）和CellDiscovery（北京時(shí)間：2019年2月19日）雜志上分別發(fā)表。

截至目前，世界范圍內(nèi)罹患?xì)埣残月?tīng)力損失的人口數(shù)接近4.6億，聽(tīng)力障礙已成為全球發(fā)病率最高的感官缺陷疾病之一，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。其中，大比例聽(tīng)力損傷的原因?yàn)椋翰溉閯?dòng)物聽(tīng)覺(jué)感受器（柯蒂氏器，Organ of Corti）中具有聲波振動(dòng)感受功能的關(guān)鍵感覺(jué)上皮細(xì)胞——耳蝸毛細(xì)胞（haircell）感知能力的喪失[1]。

耳蝸毛細(xì)胞是結(jié)構(gòu)高度特化的細(xì)胞類(lèi)型，其上表面有大量微小的靜纖毛（stereocilia）?？碌偈掀髦袛?shù)以千計(jì)的毛細(xì)胞通過(guò)它們的纖毛敏感地探測(cè)聲波引發(fā)的機(jī)械振動(dòng)，并將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為生物電信號(hào)，進(jìn)一步通過(guò)與之相連的神經(jīng)纖維傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)，聲音便由此被感知[2-3]。

毛細(xì)胞表皮板被認(rèn)為在哺乳動(dòng)物聽(tīng)力中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因其能夠穩(wěn)固靜纖毛小根，并為靜纖毛提供聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)所必要的彈性支持[4-5]。靜纖毛小根（rootlet）是靜纖毛基部變細(xì)并延伸至表皮板中的電子致密結(jié)構(gòu)[6]，在毛細(xì)胞表皮板的穩(wěn)固支持下，耐受持續(xù)的機(jī)械壓力，對(duì)正常聽(tīng)力功能的維持非常重要。然而，目前針對(duì)毛細(xì)胞表皮板的研究非常少，毛細(xì)胞表皮板這個(gè)富含大量骨架蛋白的特殊結(jié)構(gòu)，如何為靜纖毛小根提供其必要的穩(wěn)固性、靈活性支持，目前尚不清楚。

針對(duì)毛細(xì)胞表皮板的結(jié)構(gòu)早期已有光學(xué)成像研究。然而，由于阿貝光學(xué)衍射極限的存在，常規(guī)光學(xué)顯微鏡橫向分辨率最高僅能達(dá)到200 nm，縱向分辨率約400–700nm。大多數(shù)骨架蛋白的直徑均在10納米以下。因此，傳統(tǒng)光學(xué)成像方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到準(zhǔn)確觀(guān)察骨架蛋白在細(xì)胞中的精細(xì)結(jié)構(gòu)的要求。

Spectin是自身結(jié)構(gòu)具有高度彈性的蛋白，為維持細(xì)胞正常形態(tài)起到重要作用[7]。早期膠體金免疫電鏡工作表明，spectrin在毛細(xì)胞表皮板中存在[8]。然而，電鏡復(fù)雜的樣品制備流程極易導(dǎo)致骨架蛋白的破壞，此外，膠體金標(biāo)記法也無(wú)法獲得spectrin的連續(xù)結(jié)構(gòu)信息。

上?？萍即髮W(xué)及東南大學(xué)研究人員，將受激發(fā)射損耗顯微成像技術(shù)(Stimulated Emission DepletionMicroscopy，STED)應(yīng)用于小鼠耳蝸組織，對(duì)耳蝸毛細(xì)胞表皮板開(kāi)展超高成像研究（見(jiàn)圖2），首次清晰地觀(guān)測(cè)到骨架蛋白βII-spectrin在毛細(xì)胞表皮板中呈現(xiàn)規(guī)律的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

圖1.超分辨熒光顯微成像技術(shù)首次揭示耳蝸毛細(xì)胞表皮板中重要骨架蛋白的超微精細(xì)結(jié)構(gòu)

圖2.上科大iHuman成像平臺(tái)部分超分辨率熒光顯微成像設(shè)備

有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)毛細(xì)胞表皮板spectrin規(guī)律環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成時(shí)間是在小鼠出生后第14天左右，這個(gè)時(shí)間與小鼠聽(tīng)力的形成時(shí)期非常接近。因此，研究人員構(gòu)建了老年性聽(tīng)損、噪聲暴露等聽(tīng)力損傷小鼠模型，以進(jìn)一步分析驗(yàn)證spectrin環(huán)狀結(jié)構(gòu)與聽(tīng)力的相關(guān)性。如圖4所示，老年性聽(tīng)力損傷模型小鼠中（圖4A），spectrin環(huán)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生缺失，并且缺失情況在底轉(zhuǎn)的毛細(xì)胞中最為嚴(yán)重。在噪聲暴露導(dǎo)致的聽(tīng)損小鼠模型（圖4B）中，研究人員同樣發(fā)現(xiàn)了spectrin環(huán)狀結(jié)構(gòu)的缺損。并且，在耳蝸毛細(xì)胞中特異性敲除βII-spectrin蛋白后，小鼠的毛細(xì)胞極性發(fā)生紊亂，聽(tīng)力完全喪失。綜上，該項(xiàng)工作利用超高分辨率熒光顯微成像技術(shù)，首次發(fā)現(xiàn)了血影蛋白在內(nèi)耳毛細(xì)胞表皮板中的全新結(jié)構(gòu)，并揭示了該結(jié)構(gòu)對(duì)哺乳動(dòng)物聽(tīng)力發(fā)育的關(guān)鍵作用。

圖3.老年性聽(tīng)損、噪聲暴露聽(tīng)損模型鼠中毛細(xì)胞表皮板spectrin環(huán)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生缺損

此外，研究人員還利用結(jié)構(gòu)光照顯微成像技術(shù)(Structured Illumination Microscopy,SIM)對(duì)表皮板中含量最為豐富的骨架蛋白F-actin開(kāi)展了3D超高分辨成像，首次發(fā)現(xiàn)了F-actin在毛細(xì)胞表皮板的全新精細(xì)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）。

圖4.耳蝸毛細(xì)胞表皮板中重要骨架蛋白F-actin的超微精細(xì)結(jié)構(gòu)

圖5.上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所科研團(tuán)隊(duì)合照

（Science Advances論文第一作者為上?？萍即髮W(xué)助理研究員劉艷、東南大學(xué)博士生齊潔玉、上?？萍即髮W(xué)博士生陳鑫，通訊作者為上?？萍即髮W(xué)鐘桂生、東南大學(xué)柴人杰和上海科技大學(xué)何水金。CellDiscovery論文第一作者為齊潔玉、劉艷、陳鑫，通訊作者為上?？萍即髮W(xué)鐘桂生、東南大學(xué)柴人杰和上?？萍即髮W(xué)何水金。）

本文封面圖源：劉卓佳

相關(guān)論文原文：

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav7803.full

https://www.nature.com/articles/s41421-018-0076-4