发现斑马鱼感觉器官中的一种特殊细胞

　　

相对于鱼类和鸡等其他脊椎动物，哺乳动物在进化上的一个缺点是无法再生感觉毛细胞。

我们耳朵内的毛细胞负责将声音振动和重力转化为电信号，我们需要这些电信号来探测声音并保持平衡和空间定向。暴露于噪音、抗生素或年龄，会导致内耳毛细胞死亡，从而导致听力损失和前庭缺陷，据美国15%的成年人报告这种情况。此外，需要严格控制毛细胞周围液体的离子组成，在Ménière氏病中常见毛细胞功能受损。

虽然人工耳蜗之类的人工耳蜗可以恢复一定程度的听力，但通过毛细胞的再生来发展恢复听力的医学疗法还是有可能的。Stowers医学研究所的研究员Tatjana Piotrowski博士参与听力健康基金会听力恢复项目，该基金会是一个实验室联盟，利用鱼类、鸡、小鼠和细胞培养系统进行基础和转化科学研究。

Piotrowski说：“为了详细了解使鱼类能够再生毛细胞的分子机制和基因，我们需要了解哪些细胞产生再生毛细胞，以及与此相关的问题，感觉器官中存在多少种细胞类型。”

Piotrowski实验室研究斑马鱼侧线感觉毛细胞的再生。这些细胞位于鱼的皮肤表面，易于观察和实验。侧线的感觉器官称为神经丘neuromasts，含有支持细胞，可以很容易地分化成新的毛细胞。另一些人利用技术将同一胚胎来源的细胞标记成特定的颜色，证明了神经鞘瘤内的细胞来源于称为板的外胚层增厚物。

结果表明，虽然斑马鱼神经肥大的大多数细胞确实起源于板状体，但并非所有细胞都是如此。

Piotrowski实验室的研究人员在2021年4月19日发表在《Developmental Cell》杂志上的一篇论文中描述了他们在胚胎后和成熟神经丘中偶尔发现的一对没有侧线标记的细胞。当使用一种叫做斑马波的技术来追踪胚胎细胞的发育过程时，这些细胞被标记成与神经肥大细胞的其他部分不同的颜色。

“我最初认为这是研究方法的产物，”Julia Peloggia说，她与Daniela Münch是这项研究的第一作者。“特别是当我们仅仅观察细胞核时，在转基因动物中，标签并没有标记所有细胞是很常见。”

Peloggia和Münch也认为，一开始很难辨别一种模式。“虽然这些细胞在神经丘中有一个固定的位置，但它们并不总是在那里。有些神经丘有，有些没有，这让我们很扫兴，”Peloggia说。

通过对通过荧光激活细胞分选分离出来的细胞应用一种称为单细胞RNA测序的实验方法，研究人员将这些细胞鉴定为离子细胞——一种能够调节附近液体离子组成的特殊类型的细胞， 利用谱系追踪，他们确定离子细胞来源于神经丘周围的皮肤细胞。他们将这些细胞命名为神经丘相关的离子细胞。

接下来，他们试图通过对幼年幼鱼进行延时和高分辨率实时成像来捕捉这种现象。

“一开始，我们没有办法触发这些细胞的入侵。我们在显微镜可用的时候就成像，尽可能多的时间间隔——几天或周末——希望我们能偶然看到细胞侵入神经丘。”

最终，研究人员观察到，离子细胞祖细胞以成对的细胞迁移到神经丘，在其他支持细胞和毛细胞之间重新排列，同时保持成对的联系。他们发现这种现象在斑马鱼的早期幼体、后期幼体以及成鱼阶段都有发生。神经丘相关离子细胞的频率与发育阶段有关，包括幼鱼从富离子胚胎培养基移到贫离子水中时的转移。

从每一对细胞中，他们确定只有一个细胞被Notch通路报告器标记为荧光红色或绿色蛋白。为了观察这两种细胞的形态，他们使用了串行块面部扫描电子显微镜来生成高分辨率的三维图像。他们发现这两个细胞都有延伸到神经丘的顶端或顶面，而且通常都有很薄的突起。Notch阴性细胞显示独特的“牙刷样”微绒毛，投射到神经肥大内腔或内部，使人联想到鳃和皮肤离子细胞。

“一旦我们能够看到这些细胞的形态——它们是如何突出并与其他细胞相互作用的——我们就意识到它们在神经肥大中可能有复杂的功能，”Münch说。

Peloggia说：“我们的研究首次表明，即使是成年动物，离子细胞也会侵入感觉器官，而且它们这样做只是对动物生活环境的变化作出反应。因此，这些细胞很可能发挥重要作用，使动物能够适应不断变化的环境条件。”

离子细胞已知存在于其他器官系统中。哺乳动物的内耳也含有调节毛细胞周围液体离子组成的细胞，这种平衡失调会导致听力和前庭缺陷，Piotrowski说：“虽然离子细胞样细胞存在于其他系统中，但不知道它们是否表现出这种适应性和侵袭性行为。”

“我们不知道耳离子细胞是否共享相同的转录组或基因信息集合，但它们在某种程度上具有相似的形态，可能具有相似的功能，因此我们认为它们可能是类似的细胞，”Münch说。“我们对神经丘离子细胞的发现将让我们检验这一假说，同时也将检验离子细胞如何在分子水平上调节毛细胞功能。”

接下来，研究人员将关注两个相关的问题——是什么导致这些离子细胞迁移并侵入神经丘，以及它们的具体功能是什么？

Münch说：“尽管我们对离子细胞的运动性进行了惊人的观察，但我们仍然不知道入侵是如何触发的。识别吸引离子细胞并使其挤入感觉器官的信号也可能教会我们癌细胞在疾病期间是如何侵入器官。”

摘要：

人类不能再生负责探测声音的内耳毛细胞，但非哺乳动物脊椎动物可以很容易地再生功能相似的感觉毛细胞。在探索斑马鱼毛细胞再生的过程中，Stowers医学研究所研究员Tatjana Piotrowski博士实验室的研究人员发现了一种在此过程中从未被描述过的细胞类型。

研究小组在感觉器官中发现了新分化的、迁移的和侵入性的离子细胞，这些细胞在幼鱼和成鱼体内产生了新的毛细胞。研究人员于2021年4月19日在《发育细胞》杂志上在线发表了他们的发现。胚胎发育后细胞的正常侵袭性（即非转移性）行为并不常见。该团队未来的研究将集中在确定这些行为的触发因素和这些细胞的功能，包括这个过程如何与毛细胞再生相关。