Advanced Science：万国强/高下/甘振继揭示代谢重编程对听觉毛细胞分化的影响及相关机制

耳蜗感觉毛细胞退化是神经性听力损失的主要原因。与鸟类和两栖动物不同，哺乳动物的毛细胞不能自发再生，这对听力恢复构成了巨大挑战。尽管人们已利用关键信号通路和转录因子来诱导支持细胞更新并重编程为毛细胞，但毛细胞重编程的效率和诱导毛细胞的功能仍然有限。

除了调节信号通路和转录因子之外，高效和功能性的细胞重编程还需要清除其他障碍，比如表观遗传调控、免疫调节、细胞外环境重塑和代谢状态重编程。在神经元、肌肉和肝脏的细胞转分化和组织再生过程中，细胞代谢可以通过调节细胞耗氧量、控制能量代谢和维持关键代谢物的临界水平来有效控制细胞命运。然而，代谢重组是否以及如何促进毛细胞重编程尚不清楚。

内耳和耳蜗类器官的最新发展为高通量筛选、再生途径鉴定、耳谱系分析和疾病建模研究提供了前所未有的机会，因为它们与内耳发育模式相似，并且能够在体外大量扩增。

为了了解毛细胞分化背后的生化过程，研究人员对来自新生小鼠耳蜗感觉上皮的扩增和分化的耳蜗类器官进行了批量转录组分析, 发现参与氧化还原活性的基因显著下调。电子传递链 (ETC) 是细胞呼吸和氧化磷酸化 (OXPHOS) 的一部分，是调节细胞氧化还原的主要过程。因此，研究人员通过测量耗氧率 (OCRs) 来检查ETC活性，发现与扩增类器官相比，分化类器官OCR增加，并伴随着线粒体活性氧（ROS）产生。

ETC活性和线粒体呼吸作用的改变促使研究人员探究毛细胞分化过程中的代谢变化，非靶代谢组学分析显示，在毛细胞分化过程中，多种代谢过程受到调节，包括氨基酸代谢和氨酰基-tRNA 生物合成。有趣的是，三羧酸 (TCA) 循环是受显著调节的代谢途径之一。丙酮酸是TCA循环的代谢前体，以及多种TCA循环中间体（即草酰乙酸、苹果酸、α-酮戊二酸），在分化的类器官中含量减少。这些结果表明毛细胞对氧气消耗和TCA循环代谢表现出很高的需求，而TCA循环中间体的减少可能会阻碍毛细胞的有效分化。

α-酮戊二酸 (α-KG)参与几乎所有生物体的多效代谢和调节途径，还在细胞命运决定和谱系特征化中发挥重要作用。研究人员发现，α-KG可能对于满足有效毛细胞分化的一般代谢需求至关重要，通过添加α-KG可促进毛细胞分化。由于毛细胞分化伴随着TCA循环代谢物减少和ETC活性增加的代谢解耦，研究人员进一步探究了参与两种代谢途径的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺ ）是否可能受毛细胞分化和α-KG 的调节，发现NAD⁺ 与NADH的比率（衡量氧化NAD⁺ 的相对丰度）在耳蜗类器官的毛细胞分化过程中显著增加，而添加α-KG可以进一步提高NAD⁺ /NADH 的比率。通过mito Lb NOX 慢病毒载体将线粒体NADH转化为NAD⁺ 显著提高了耳蜗类器官中毛细胞分化的效率，添加烟酰胺核糖（NR）（NAD⁺ 的前体）也有类似的效果。因此，NAD⁺ 水平的增加不仅伴随毛细胞分化，而且促进了毛细胞分化。

哺乳动物中 NAD⁺ 生物合成的主要途径是挽救途径，该途径由线粒体生物合成调节剂 PGC1α驱动。PGC1α 缺乏会减少从氨基酸从头合成NAD的酶。 研究人员构建了PGC1α 的条件性敲除 (cKO)小鼠，发现PGC1α-cKO显著降低了耳蜗类器官中的NAD⁺/NADH比值且PGC1α-cKO小鼠的耳蜗类器官中观察到毛细胞分化受损，这可通过NR处理得到挽救。这些结果支持了 NAD⁺在耳蜗毛细胞分化中起着至关重要的作用。

Atoh1是一种bHLH转录因子，对毛细胞的发育和再生至关重要。然而，Atoh1过表达诱导耳蜗毛细胞分化似乎仅限于大上皮嵴（GER）支持细胞，而小上皮区（LER）的柱细胞和Deiters细胞很少被重新编程为毛细胞。腹腔注射α-KG后，P10和P21时观察到Atoh1过表达（Atoh1-cOE）小鼠体内LER 区域的诱导毛细胞（iHC）显著增加。此外，研究人员还构建了mito Lb NOX条件性过表达 (cOE) 的敲入小鼠模型，类似的，Atoh1和mito Lb NOX的共同过表达促进了P10和 P21时LER区域的毛细胞重编程 。

综上所述，该研究提出TCA循环与ETC之间的解耦不仅伴随而且会损害毛细胞从支持细胞的重编程，强调了关键代谢因子（如PGC1α、α-KG和NAD⁺ ）对有效毛细胞重编程的重要性，为毛细胞再生和听力恢复提供新的治疗靶点。