在鱼类感觉器官中发现的难以捉摸的细胞类型

相对于其他脊椎动物，如鱼和鸡，哺乳动物的进化劣势之一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，保持平衡和空间方向。某些伤害，如暴露于噪音、抗生素或年龄，会导致内耳毛细胞死亡，从而导致听力丧失和前庭缺损，据报道，15%的美国成年人患有这种疾病。此外，毛细胞周围液体的离子组成需要严格控制，否则毛细胞功能会受到损害，如Ménière的疾病所观察到的那样。

虽然人工耳蜗等假肢可以恢复一定程度的听力，但通过毛细胞再生来恢复听力的医学疗法是有可能的。Stowers医学研究所的研究员Tatjana Piotrowski博士是听力健康基金会听力恢复项目的一部分，该基金会是一个实验室联盟，使用鱼、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，以及与这个问题相关的是，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。这些细胞表面位于鱼的皮肤上，很容易看到，也很容易进行实验。侧线的感觉器官，称为神经支架，包含支持细胞，可以很容易地分化成新的毛细胞。另一些人则利用技术，用特定的颜色标记胚胎起源相同的细胞，表明神经支架内的细胞来自称为基板的外胚层增厚。

事实证明，虽然斑马鱼神经桅杆的大多数细胞确实起源于基板，但并非所有细胞都是如此。

在2021年4月19日在线发表的一篇论文中细胞发育， Piotrowski实验室的研究人员描述了他们在胚胎后和成人神经支架内偶尔出现的一对细胞，这些细胞没有被侧线标记。当使用一种名为Zebrabow的技术来跟踪胚胎细胞的发育过程时，这些细胞被标记为与神经肥大的其他部分不同的颜色。

“我最初认为这是研究方法的一种人工制品，”Julia Peloggia说，她是斯托尔斯医学研究所研究生院的博士前研究员，与另一位博士前研究员Daniela Münch共同撰写了这项工作。“特别是当我们只观察细胞核时，在转基因动物系中，标签并不标记所有的细胞是很常见的，”Münch补充道。

Peloggia和Münch一致认为，一开始很难辨别出一个模式。“尽管这些细胞在神经桅杆中有一个典型的位置，但它们并不总是在那里。有些神经科医生有，有些没有，这让我们感到困惑，”Peloggia说。

通过将一种称为单细胞RNA测序的实验方法应用于荧光激活细胞分选分离的细胞，研究人员将这些细胞确定为离子细胞——一种可以调节附近液体离子组成的特殊类型的细胞。通过谱系追踪，他们确定离子细胞来源于神经肥大周围的皮肤细胞。他们将这些细胞命名为神经肥大相关离子细胞。

接下来，他们试图用延时和高分辨率的幼年幼虫活体成像来捕捉这一现象。

“一开始，我们没有办法触发这些细胞的入侵。只要显微镜可用，我们就会进行成像，尽可能多地进行时间间隔——在几天或周末——并希望我们能偶然看到细胞入侵神经支架，”Münch说。

最终，研究人员观察到，离子祖细胞作为成对的细胞迁移到神经支架，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。他们发现这种现象发生在斑马鱼的早期幼虫，后期幼虫，以及成年阶段。神经支架相关离子细胞的频率与发育阶段相关，包括幼虫从富含离子的胚胎培养基转移到缺乏离子的水中。

从每一对中，他们确定只有一个细胞被标记有荧光红色或绿色蛋白的Notch通路报告细胞标记。为了使两个细胞的形态可视化，他们使用连续块面扫描电子显微镜来生成高分辨率的三维图像。他们发现，这两种细胞都有延伸到神经肥大的顶端或顶端表面，而且通常都含有薄的突出物。notch阴性细胞显示独特的“牙刷状”微绒毛投射到神经支架腔内或内部，使人联想到鳃和皮肤离子细胞。

Münch说:“一旦我们能够看到这些细胞的形态——它们是如何真正突出并与其他细胞相互作用的——我们就意识到它们可能在神经桅杆中具有复杂的功能。”

Peloggia说:“我们的研究首次表明，即使在成年动物体内，离子细胞也会侵入感觉器官，而且它们只有在动物生活环境发生变化时才会这样做。”“因此，这些细胞可能发挥着重要作用，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。Piotrowski说:“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。”虽然类似离子细胞的细胞存在于其他系统中，但尚不清楚它们是否表现出这种适应性和侵袭性行为。

Münch说:“我们不知道耳朵离子细胞是否具有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。”我们对神经肥大离子细胞的发现将让我们验证这一假设，以及测试离子细胞如何在分子水平上调节毛细胞的功能，”Peloggia说。

接下来，研究人员将重点研究两个相关的问题——是什么原因导致这些离子细胞迁移并侵入神经肥大，它们的具体功能是什么?

Peloggia说:“尽管我们惊人地观察到离子细胞是高度活跃的，但我们仍然不知道入侵是如何被触发的。”“识别吸引离子细胞并允许它们挤进感觉器官的信号，也可能告诉我们癌细胞在疾病期间是如何侵入器官的。”Peloggia计划研究是什么触发细胞分化、迁移和入侵，Münch将专注于描述神经桅杆相关离子细胞的功能。“适应性的部分真的很有趣，”Münch解释道。“有一个涉及离子细胞延伸到成年阶段的过程，可以调节和改变器官的功能——这是令人兴奋的。”

该研究的其他合著者包括Paloma menese - giles, Andrés Romero-Carvajal博士，Mark E. Lush博士和来自Stowers的Melainia McClain;马萨诸塞大学医学院的Nathan D. Lawson;以及弗吉尼亚理工学院的Y. Albert Pan博士。

这项工作由Stowers医学研究所和美国国立卫生研究院国家儿童健康和人类发展研究所资助(奖励1R01DC015488-01A1)。内容仅为作者的责任，并不代表NIH的官方观点。

参考:杨文杰，Münch D，张晓明，等。适应性细胞入侵维持侧线器官内稳态，以应对环境变化。细胞发育。2021．doi.org/10.1016/j.devcel.2021.03.027

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