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生命学院熊巍课题组揭示动物超声听觉的分子和细胞机制

清华新闻网714日电 人类能听见的声音频率范围在20 Hz到20 kHz之间,然而有些动物发展出了超常的感受和产生高频声音(>20 kHz)的能力,称之为超声听觉(Ultrasonic hearing)和超声发声(Ultrasonic vocalization)。基于超声的听觉参与很多重要的生理功能和动物行为,包括:种群内的社会交流行为,例如:幼小动物呼唤母亲的照顾、成年雄性的争斗以及雌雄间的求偶等。这些超声发声因频率范围高于捕食者的听觉范围而可以不被天敌所探知,或者抵抗周边环境例如瀑布等的噪音,蝙蝠、海豚等动物可以利用自己发射的超声进行回声定位,实现在黑暗环境猎食和导航。通过超声进行交流的动物,包括小鼠在内,其听觉频率范围远大于人类,甚至能高于100kHz。然而这么高频的声音是怎么被动物所感知的,也就是说超声听觉从何而来,其生物学基础尚不清楚。

2021年7月13日,清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、清华大学生命学院熊巍课题组,在美国科学院院刊(PNAS)上在线发表了标题为“PIEZO2在耳蜗外毛细胞上介导小鼠的超声听觉”(PIEZO2 mediates ultrasonic hearing via cochlear outer hair cells in mice)的研究论文,详细阐述了超声听觉的分子和细胞机制。

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图1:超声听觉广泛存在于小鼠的社会交流行为中,包括:种群内的社会交流行为。例如:幼小动物呼唤母亲的照顾、成年雄性的争斗、以及雌雄间的求偶等。本文发现超声听觉(Ultrasonic hearing)是通过耳蜗外毛细胞(Outer hair cells)所感受,并由机械敏感通道PIEZO2所介导

在本研究中,清华大学生命学院熊巍课题组首先发展了超声测听方法,实现了可以在超高频段刺激和记录小鼠的听觉反应。通过引入Pax2-Cre小鼠和Atoh1-Cre小鼠,和Piezo2-loxp小鼠杂交构建出耳蜗组织特异性敲除Piezo2的小鼠,发现Piezo2参与动物的超声听觉。研究者进一步采用超声刺激关联的动物习得行为学,发现Piezo2的条件性敲除小鼠虽然能学会记住常规频段的声音刺激,表现出Freezing现象,但是它们无法学会(听到)超声频段的声音刺激。

对PIEZO2蛋白的细胞表达的鉴定,研究者用了三种方法,第一种是Piezo2-Cre小鼠和荧光报告小鼠杂交发现Piezo2表达于所有外毛细胞和一部分内毛细胞中;在新生小鼠耳蜗的免疫组化实验表明其在外毛细胞的顶板上有特异表达;在成年的耳蜗毛细胞中通过RNAscope的方法看到Piezo2的持续表达。

研究者进一步确定参与超声听觉的毛细胞类型:通过引入Prestin-CreER小鼠,构建出Piezo2外毛细胞特异性敲除小鼠,发现Piezo2外毛细胞特异性敲除小鼠存在超声听觉问题;通过vGlut3-CreER小鼠和Piezo2-loxp小鼠杂交,得到Piezo2内毛细胞特异性敲除的小鼠,发现并没有出现超声听觉的异常。从而得出结论,耳蜗外毛细胞是Piezo2介导超声听觉的靶细胞。

最终,研究者建立了耳蜗超声刺激和钙成像平台,实时观测了超声刺激下外毛细胞的反应,进一步确认外毛细胞有超声刺激导致的钙活动,而且这种钙活动在Piezo2敲除的外毛细胞上消失了,有意思的是毛细胞毛束上的机械转导通道也参与了超声转导这一过程。

综上所述,研究者首先从无到有地开发了一系列技术和方法,结合小鼠遗传学,鉴定Piezo2是超声感知的分子之一,而且发现Piezo2是通过外毛细胞发挥作用的。该研究首次揭示了超声听觉和超声转导的生物学机制,提示可能的听觉解析频率的新机制,为研究基于听觉和言语的社交行为的相关神经机制提供新的动物模型。

清华大学生命科学学院熊巍研究员为本文的通讯作者,生命学院博士生李杰、刘双、宋晨萌、胡群和赵智锴为本文的共同第一作者。清华大学药学院邓团团,清华大学生命学院博士生邹林志、王淑峰、陈姣凤、刘恋,清华大学生命学院博士后王祎,清华大学生命学院技术员朱彤和侯函青,清华大学药学院肖百龙教授,北京脑科学与类脑研究中心孙文智研究员,中科院上海神经所刘志勇研究员,陆军军医大学谌小维教授,清华大学医学院苑克鑫教授,中科院深圳先进技术研究院郑海荣教授,均为本研究做出了重要贡献。

论文链接:

https://www.pnas.org/content/118/28/e2101207118

供稿单位:生命学院

编辑:张恩鸣

审核:田姬熔

2021年07月14日 15:42:53

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