耳蝸動(dòng)纖毛在聽覺系統(tǒng)中的作用研究進(jìn)展

章天成,洪國(guó)棟,李 賀,付小龍,柴人杰

(1.溫州醫(yī)科大學(xué),浙江 溫州 325035;2.山東第一醫(yī)科大學(xué)·山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院,山東 濟(jì)南 250117;3. 溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院,浙江 溫州 325000;4.東南大學(xué),江蘇 南京 211189)

聽覺是人類最重要的感覺之一,它的發(fā)生和發(fā)展與人類的進(jìn)化密不可分。人類的日常溝通交流離不開聽覺,遺傳性的缺陷或者耳毒性藥物的濫用等都會(huì)造成聽覺系統(tǒng)不可逆的損傷,給人們的正常生活和工作造成極大的困難。在毛細(xì)胞上還有一種由微管蛋白組成的特殊的初級(jí)纖毛—?jiǎng)永w毛,近幾年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)異常會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)胞上的纖毛束極性紊亂,纖毛束的方向不再一致,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的聽力損失。本文綜述動(dòng)纖毛在耳蝸中的發(fā)育過程及其在聽覺發(fā)生過程中的作用,為預(yù)防由動(dòng)纖毛異常導(dǎo)致的聽力損失提供理論參考。

1 聽覺系統(tǒng)與毛細(xì)胞纖毛結(jié)構(gòu)

外周聽覺系統(tǒng)主要由外耳、中耳和內(nèi)耳組成。其中內(nèi)耳不僅要負(fù)責(zé)聲音信號(hào)的傳導(dǎo)過程,還要具備將外界聲音的機(jī)械能信號(hào)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電信號(hào)的功能。耳蝸中復(fù)雜聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位稱為柯蒂氏器,柯蒂氏器是基底膜中負(fù)責(zé)聽覺產(chǎn)生的精妙結(jié)構(gòu),其中包含有多種重要細(xì)胞類型,如毛細(xì)胞和支持細(xì)胞,毛細(xì)胞又可分為一排內(nèi)毛細(xì)胞和三排外毛細(xì)胞,毛細(xì)胞和支持細(xì)胞以相互嵌入的方式排列,在外毛細(xì)胞的頂表面有三排特化后的呈現(xiàn)“V”形狀或者“W”形狀的由肌動(dòng)蛋白組成的靜纖毛束,三排靜纖毛束以階梯狀排列,靠近內(nèi)部的一排纖毛較短,最外一排纖毛最長(zhǎng)[1～3],見圖1[4]。外毛細(xì)胞上的靜纖毛束統(tǒng)一朝向非神經(jīng)軸側(cè),這一特性稱之為毛細(xì)胞的平面細(xì)胞極性(planar cell polarity,PCP),這些靜纖毛束插入蓋膜當(dāng)中,當(dāng)聲波信號(hào)傳入內(nèi)耳后會(huì)引發(fā)蓋膜和纖毛束之間的剪切運(yùn)動(dòng),進(jìn)而打開或關(guān)閉纖毛上特有的機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)通道,這是聽覺發(fā)生過程中聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵過程,而內(nèi)毛細(xì)胞上的纖毛束主要呈現(xiàn)出“一”字形或者“U”形,似乎并不參與機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[5～11]。

圖1 耳蝸毛細(xì)胞和纖毛束的示意圖

2 纖毛束在聽覺發(fā)生過程中的作用

聽覺發(fā)生過程是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過程,它需要多個(gè)聽覺器官與大腦聽覺中樞協(xié)同作用,且缺一不可,若聽覺發(fā)生過程中的某個(gè)環(huán)節(jié)異常則會(huì)引起不同程度的聽力損失。耳廓首先將外界聲音收集,然后經(jīng)外耳道、鼓膜傳入中耳,隨后再經(jīng)過聽小骨、卵圓窗膜等部位將聲波的振動(dòng)信號(hào)傳入內(nèi)耳,再由內(nèi)耳將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為聽覺神經(jīng)沖動(dòng),耳蝸內(nèi)的螺旋神經(jīng)元將這些神經(jīng)沖動(dòng)傳遞到聽覺中樞中的各個(gè)核團(tuán),最終由聽覺皮層對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分析處理并產(chǎn)生聽覺[12～14]。耳蝸是聽覺系統(tǒng)中的重要感受器官,耳蝸結(jié)構(gòu)或功能受到損傷后將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的聽力損失。聲音信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的關(guān)鍵步驟是毛細(xì)胞上靜纖毛束的有效偏轉(zhuǎn),當(dāng)聲音的機(jī)械能信號(hào)導(dǎo)致靜纖毛束發(fā)生偏轉(zhuǎn)后會(huì)打開靜纖毛束上的機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)通道,隨后的離子交換過程使毛細(xì)胞興奮并產(chǎn)生聲音的電信號(hào),因此,纖毛束的結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)態(tài)維持在聽覺發(fā)生過程中是極為重要的[15]。

3 動(dòng)纖毛的結(jié)構(gòu)及發(fā)育

3.1 動(dòng)纖毛的結(jié)構(gòu)纖毛是一種位于細(xì)胞表面的突起結(jié)構(gòu),廣泛分布于幾乎所有真核細(xì)胞表面[16]。纖毛的結(jié)構(gòu)主要包括基體、軸絲、纖毛膜和纖毛基部。纖毛基體是由母中心體發(fā)育而來(lái),主要由微管蛋白組成。纖毛膜是細(xì)胞膜的延伸,但其成分跟普通細(xì)胞膜有較大的差異。軸絲是由9條環(huán)形排列的雙聯(lián)體微管蛋白束及其附屬蛋白構(gòu)成,軸絲從纖毛基部開始組裝、延伸。部分纖毛微管中間存在一對(duì)中心微管,根據(jù)纖毛是否有中心微管及可否自主運(yùn)動(dòng)可以將纖毛分為“ 9+2”運(yùn)動(dòng)型、“ 9+2 ”不動(dòng)型、“ 9+0 ”運(yùn)動(dòng)型和“ 9+0 ”不動(dòng)型四種類型[17]。哺乳動(dòng)物內(nèi)耳毛細(xì)胞的動(dòng)纖毛是一類特殊的纖毛,屬于“ 9+2 ”不動(dòng)型[18]。雖然它有外側(cè)動(dòng)力臂和徑向輻條,但沒有內(nèi)側(cè)動(dòng)力臂,見圖2[4]。因此,盡管外側(cè)動(dòng)力臂使動(dòng)纖毛保留了一些運(yùn)動(dòng)功能,但由于缺乏內(nèi)側(cè)動(dòng)力臂,它只能被動(dòng)擺動(dòng),而不能自主運(yùn)動(dòng)[19]。

圖2 動(dòng)纖毛及其橫截面的模型

3.2 動(dòng)纖毛的發(fā)育聽纖毛發(fā)育是一個(gè)受到嚴(yán)格調(diào)控的過程[20]。哺乳動(dòng)物發(fā)育早期階段,每一個(gè)毛細(xì)胞的頂表面都覆蓋著以肌動(dòng)蛋白為骨架的微絨毛。在小鼠胚胎期的第15天,動(dòng)纖毛在耳蝸毛細(xì)胞頂表面的中心開始發(fā)育[21],周圍被非常短的微絨毛圍繞,并從毛細(xì)胞頂表面的中心逐漸向非神經(jīng)軸側(cè)遷移,起到了引導(dǎo)作用,協(xié)調(diào)了富含肌動(dòng)蛋白的新生靜纖毛束的形態(tài)發(fā)生和定向[22]。所以,靜纖毛束的定向被認(rèn)為是由動(dòng)纖毛引導(dǎo)的[23, 24]。與毛細(xì)胞頂表面上的靜纖毛不同的是,動(dòng)纖毛不直接介導(dǎo)聽覺發(fā)生中的機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,但部分保留了負(fù)責(zé)毛細(xì)胞對(duì)聲音刺激反應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特性。隨后,耳蝸毛細(xì)胞中動(dòng)纖毛在小鼠出生后的第八天開始退化,P14天動(dòng)纖毛完全消失[25]。

4 動(dòng)纖毛在聽覺系統(tǒng)中的作用

4.1 動(dòng)纖毛在毛細(xì)胞成熟過程中的作用在毛細(xì)胞發(fā)育早期,動(dòng)纖毛從毛細(xì)胞頂表面的中心逐漸向非神經(jīng)軸側(cè)遷移的同時(shí)引導(dǎo)了靜纖毛束的形成與定向。以雞的耳蝸為例來(lái)分析動(dòng)纖毛在毛細(xì)胞發(fā)育過程中可能的作用,毛細(xì)胞纖毛束在成熟過程中大致可以分為四個(gè)階段,在胚胎第8天(E8)之前為第一階段,毛細(xì)胞前體細(xì)胞經(jīng)歷了終末分裂,毛細(xì)胞開始分化;第二階段(E8～ E13),毛細(xì)胞上的動(dòng)纖毛向纖毛束的非神經(jīng)軸側(cè)逐漸移動(dòng),與動(dòng)纖毛相鄰的靜纖毛增長(zhǎng),同時(shí)和動(dòng)纖毛之間形成特殊的動(dòng)纖毛連接,隨后三排靜纖毛形成特定的階梯結(jié)構(gòu);第三階段(E13～ E16),靜纖毛的延長(zhǎng)過程中止,靜纖毛開始變寬,其底部逐漸變細(xì),表皮板開始形成;第四階段(E16 ～P3),靜纖毛繼續(xù)伸長(zhǎng),直到靜纖毛成熟為止[20],以上的描述共同提示了動(dòng)纖毛在耳蝸毛細(xì)胞發(fā)育成熟過程中扮演著十分重要的角色。隨后,越來(lái)越多的證據(jù)顯示動(dòng)纖毛在毛細(xì)胞發(fā)育及功能的調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用。例如,雙皮層蛋白結(jié)構(gòu)域蛋白2a(doublecortin domain containing 2a,DCDC2a)表達(dá)于感覺毛細(xì)胞的動(dòng)纖毛和支持細(xì)胞的初級(jí)纖毛中,有研究利用基因編輯技術(shù)敲除大鼠DCDC2a基因后,敲除鼠的毛細(xì)胞動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)被破壞,靜纖毛束形態(tài)改變及長(zhǎng)度顯著增加,進(jìn)而引起了嚴(yán)重的不可逆性聽力損失[26]。Bardet-Biedl綜合征(Bardet-Biedl syndrome,BBS)臨床表現(xiàn)為耳聾、智力發(fā)育遲緩、先天性肥胖及視網(wǎng)膜營(yíng)養(yǎng)不良等,當(dāng)小鼠Bbs1、Bbs4等BBS綜合征基因發(fā)生突變后會(huì)導(dǎo)致耳蝸動(dòng)纖毛與靜纖毛的連接異常,進(jìn)而導(dǎo)致靜纖毛束形態(tài)及其極性發(fā)生改變[27, 28]。

4.2 動(dòng)纖毛通過調(diào)節(jié)PCP來(lái)調(diào)控毛細(xì)胞的發(fā)育在小鼠耳蝸發(fā)育早期,毛細(xì)胞上具有一根動(dòng)纖毛和很多的微絨毛,大部分微絨毛會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而慢慢退化,最終只留下三排特化后的微絨毛形成“V”形的纖毛束,也被稱為靜纖毛。在纖毛束特化這一過程中動(dòng)纖毛也會(huì)逐漸退化直至完全消失,最終只留下動(dòng)纖毛殘跡,因此,動(dòng)纖毛被廣泛認(rèn)為不直接參與聽覺過程。目前,關(guān)于耳蝸動(dòng)纖毛的報(bào)道主要是其參與纖毛束PCP的調(diào)控。所有毛細(xì)胞的靜纖毛束朝向一致,形成了毛細(xì)胞的平面細(xì)胞極性[29]。毛細(xì)胞PCP的形成是一個(gè)受到精細(xì)調(diào)控的過程[22, 24],進(jìn)一步的研究顯示動(dòng)纖毛通過調(diào)控毛細(xì)胞PCP從而在毛細(xì)胞發(fā)育及功能中發(fā)揮重要作用。例如,PCP核心蛋白編碼基因的缺陷,如Ltap/Vangl2, Dvl1/2, Fz3/6以及Celsr1,都顯示不同程度的動(dòng)纖毛紊亂[30～35]。在PCP缺陷的基因敲除小鼠中,非對(duì)稱分布的PCP膜相關(guān)蛋白定位紊亂,導(dǎo)致耳蝸匯聚伸展和纖毛束極性的異常,從而導(dǎo)致了嚴(yán)重的聽力障礙[26]。也有研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)Dyx1c1基因缺失會(huì)導(dǎo)致原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙,纖毛的運(yùn)動(dòng)能力喪失,此外Dyx1c1敲除小鼠耳蝸毛細(xì)胞上動(dòng)纖毛的結(jié)構(gòu)以及退化過程被破壞了,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)伴有暫時(shí)性的毛細(xì)胞PCP方面的缺陷[36, 37]。有研究指出驅(qū)動(dòng)蛋白家族成員3A(Kinesin family member 3A,Kif3A)通過纖毛和非纖毛機(jī)制調(diào)節(jié)毛細(xì)胞極化,內(nèi)耳中Kif3A的缺陷導(dǎo)致動(dòng)纖毛的缺失和PCP紊亂類似的表型(即耳蝸導(dǎo)管的縮短和發(fā)束的扁平形態(tài)),最終導(dǎo)致聽覺障礙[38]。

5 總結(jié)與展望

耳蝸毛細(xì)胞上的動(dòng)纖毛是基于微管蛋白組成的具有經(jīng)典“9 + 2”結(jié)構(gòu)的纖毛,然而與常見的運(yùn)動(dòng)纖毛不同的是耳蝸動(dòng)纖毛不具備運(yùn)動(dòng)能力,又因?yàn)槎亜?dòng)纖毛在聽力形成之前就會(huì)完全退化而只留下一個(gè)殘跡,所以研究人員普遍認(rèn)為動(dòng)纖毛對(duì)聽覺的發(fā)生不是必要的。目前的研究主要集中于動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)破壞和纖毛束PCP之間的相關(guān)性上,然而仍然沒有直接的證據(jù)表明動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)改變是導(dǎo)致PCP改變的直接原因,比如,某種基因缺陷在破壞動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)的同時(shí)也會(huì)直接影響纖毛束極性的改變,這種情況不能說明動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)改變是導(dǎo)致PCP紊亂的直接原因。因此,詳細(xì)闡明遺傳缺陷導(dǎo)致動(dòng)纖毛或纖毛束PCP變化的分子機(jī)制有利于我們進(jìn)一步了解動(dòng)纖毛和PCP之間的關(guān)聯(lián)性,同時(shí)也能完善動(dòng)纖毛在耳蝸中扮演的其他可能存在的角色。總之,遺傳缺陷型耳蝸毛細(xì)胞PCP的紊亂是由于動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)異常間接導(dǎo)致的還是由于遺傳缺陷直接導(dǎo)致的仍有待更深入的研究。