Ein umfassendes Einzelzell-Transkriptom-Atlas der Cochlea

Das auditive System, ein charakteristisches Sinnesystem der Säugetiere, weist bemerkenswerte biophysikalische Eigenschaften auf. Erblich bedingte Taubheit, eine verbreitete sensorineurale Störung, ist hauptsächlich eine monogene Erkrankung mit erheblicher genetischer Heterogenität, die in nicht-syndromale (80 % der Fälle) und syndromale (20 % der Fälle) Gruppen unterteilt ist. Derzeit haben Forschungen etwa 125 Gene identifiziert, die mit nicht-syndromaler Taubheit assoziiert sind, und ungefähr 300 Gene, die mit syndromaler Taubheit in Verbindung stehen. Einige dieser ursächlichen Gene spielen entscheidende Rollen in spezifischen cochleären Zelltypen.

Das cochleare Organ besteht aus einer begrenzten Anzahl von Zellen, insbesondere von Haarzellen, von denen weniger als 15.000 im menschlichen Innenohr zu finden sind. Diese Knappheit stellt Herausforderungen bei der Aufklärung der molekularen Mechanismen dar, die seine Entwicklung und Physiologie steuern. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der cochleären Gen- und Zelltherapie sowie umfassende transkriptomische Studien zur Analyse spezifischer cochleärer Zelltypen geführt. Dennoch fehlt es nach wie vor an einem umfassenden standardisierten Transkriptomprofil, das den gesamten Differenzierungsprozess vom Beginn des sensorischen Organs bis zur vollständigen Reifung umfasst.

Um diese Lücke zu schließen, wurde die Studie mit dem Titel "Einzelzell-transkriptomische Profilierung der Maus-Cochlea: Ein Atlas für gezielte Therapien" veröffentlicht in PNASUnter Verwendung eines Mausmodells untersuchte das Forschungsteam über 120.000 Zellen in drei kritischen Entwicklungsstadien der Cochlea: P8 (vor dem Hören), P12 (während des Hörens) und P20 (Cochlea-Formation). Ziel war es, ein umfassendes Einzelzell-Transkriptom-Profil der Maus-Cochlea zu erstellen. Durch den Einsatz von Einzelzell-, mononukleärer RNA-Sequenzierung (scRNAseq und snRNAseq) in Kombination mit umfangreichen RNA-in-situ-Hybridisierungsassays (RNA-Scope) wurden die Transkriptomiken nahezu aller Cochlea-Zelltypen sorgfältig charakterisiert. Bemerkenswerterweise entdeckten die Forscher auch drei zuvor unbekannte Zelltypen, eine bedeutende Entdeckung, die die Grundlage für das Verständnis der molekularen Mechanismen bildet, die die einzigartige Organisation der biophysikalischen Eigenschaften der Basalmembran steuern.

Transkriptomische Charakterisierung von Cochlea-Zelltypen. (Jean et al., 2023)

Das Team integrierte Einzelzell-Transkriptomdaten aus drei Differenzierungsstadien. Sie teilten den Datensatz in zwei Hauptsammlungen: zirkulierende Zellen, hauptsächlich Blutkörperchen, und nicht zirkulierende Zellen. Die nicht zirkulierenden Zellen differenzieren weiter in Zellen des weichen und knorpeligen/osteochondralen cochleären Gewebes. Die zirkulierenden Zellen wurden manuell basierend auf typischen Markerexpressionen charakterisiert.

Die nicht zirkulierenden Zelltypen wurden in sechs Hauptgruppen unterteilt, basierend auf ihrer Ursprungsregion in der Cochlea. Diese Gruppen umfassen die Gruppe der lateralen Wandzellen, die Gruppe der neurosensorischen Epithelzellen und die Gruppe der spiralganglionären Zellen. Die verbleibenden drei Cochleazelltypen wurden als Gruppe der "peripheren Struktur" zusammengefasst.

In ihrer Forschung konzentrierte sich das Team auf cochleare Zellen, die Gene exprimieren, die mit der Knochenfunktion in Verbindung stehen, und identifizierte drei verschiedene Reifestadien von Osteoblasten. Diese Stadien waren cochleare Präosteoblasten, Osteoblasten und Osteozyten. Durch die Analyse der Expression von Dlx5 und Runx2, die an der Differenzierung von Osteoblasten beteiligt sind, konnten die Forscher diese Zelltypen erfolgreich identifizieren. Unter ihnen machten Osteoblasten etwa 90%-95% der gesamten Osteoblastenpopulation aus.

Neben den drei bekannten Zelltypen entdeckten die Forscher zwei zuvor nicht identifizierte Zellcluster, die als periphere Strukturen 1 und 2 Zellen (SS1, SS2) bezeichnet werden. Die spezifisch für SS1 exprimierten Gene waren Osr2 und Chrdl1, während die spezifisch für SS2 exprimierten Gene Bmp6 und Col1a1 waren. Die Gene-Ontologie (GO)-Analyse ergab, dass diese Gene eine Rolle bei der Osteoblastendifferenzierung, Ossifikation, Knorpelentwicklung, Odontogenese und biologischen Prozessen im Zusammenhang mit der Entwicklung des Skelettsystems spielen.

Zusammenfassend hat das Team neben den drei klassischen Osteoblasten zwei verschiedene Zelltypen entdeckt, die in spongiösen Knochenstrukturen lokalisiert sind. Diese Zellen wiesen osteoblastenähnliche transkriptomische Profile auf, unterschieden sich jedoch von Vor-Osteoblasten, Osteoblasten und Osteozyten.

Transkriptomische Charakterisierung der knöchernen Zelltypen. (Jean et al., 2023)

Das Forschungsteam untersuchte Veränderungen in der Genexpression innerhalb verschiedener cochleärer Zelltypen von P8 bis P20, um ihre unterschiedlichen und relativen Reifungsprozesse zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass während dieses Entwicklungszeitraums SVB-Zellen, RM-Zellen und Osteoblasten geringfügige bis moderate Veränderungen in der Genexpression aufwiesen. Im Gegensatz dazu zeigten Zelltypen wie Fibroblasten, Osteoblasten, SS1- und SS2-Zellen erhebliche Veränderungen, während Fibroblasten die bemerkenswertesten Verschiebungen in der Genexpression aufwiesen.

Muster der Cochlea-Zellexpression von nicht-syndromalen Taubheitsgenen. (Jean et al., 2023)

Diese Studie präsentiert eine umfassende Darstellung der Einzelzellkartierung während des Prozesses der Cochlea-Entwicklung. Sie enthüllt die Gene, die die bedeutendsten Variationen in der Expression innerhalb der Cochlea-Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten während der postnatalen Entwicklung aufweisen. Darüber hinaus bietet die Forschung umfassende transkriptomische Daten für mehrere Cochlea-Zelltypen und legt damit eine solide Grundlage für das Verständnis der Ursprünge von erblich bedingtem Hörverlust.

Kollektiv ebnet dieses umfassende Genexpressionsprofil den Weg zur Entschlüsselung des komplexen genregulatorischen Netzwerks, das die Differenzierung und Reifung von Cochleazellen steuert. Solche Erkenntnisse sind entscheidend für die Entwicklung effektiver gezielter Therapien, die darauf abzielen, die Entwicklung potenzieller Behandlungen zu fördern.

Referenz:

1. Jean, Philippe, et al. "Transkriptomprofiling auf Einzelzellebene der Maus-Cochlea: Ein Atlas für gezielte Therapien." Proceedings of the National Academy of Sciences 120.26 (2023): e2221744120.