新研究揭示哺乳動物超聲感知的分子機制

近日，我國科學家通過構建大小蝙蝠高質量的參考基因組和聽覺皮層的單細胞圖譜，對比不同聽力能力蝙蝠物種的聽覺皮層表達差異，鑒定了Parvalbumin（PV）⁺抑制性神經元和CPLX1基因（編碼complexin-1蛋白）在哺乳動物超聲感知中的重要作用，揭示超聲感知的分子機制，為改善衰老相關聽力損失提供線索，也為利用單細胞組學研究特質動物的獨特形狀提供范例。相關成果在線發表于《自然-遺傳學》（Nature Genetics）。

該研究利用二代、三代以及Hi-C測序技術組裝了N50值大于110 Mb的蝙蝠高質量參考基因組，并通過二代和三代的轉錄組數據對基因組進行注釋，獲得超過20000個蛋白質編碼基因，完整性高于99.8%。同時，該研究利用單細胞核轉錄組技術對4個蝙蝠物種的聽覺皮層進行測序，構建了小蝙蝠和大蝙蝠的聽覺皮層細胞圖譜。

通過跨物種比較發現PV⁺抑制性神經元在小蝙蝠和大蝙蝠之間存在顯著差異。光纖鈣成像實驗表明PV⁺抑制性神經元對63 kHz超聲信號表現出明顯的鈣信號反應。在小鼠行為學實驗中，沉默PV⁺抑制性神經元會導致小鼠無法感知超聲信號。結果表明聽覺皮層中PV⁺抑制性神經元可以影響超聲感知。

此外，在聽覺皮層PV⁺抑制性神經元中，小蝙蝠CPLX1基因表達水平顯著高于大蝙蝠，對小鼠CPLX1擾動嚴重影響其超聲感知能力。該研究還發現 CPLX1在小蝙蝠的整個聽覺環路中發揮作用，但在大蝙蝠中則不然。結果表明CPLX1基因對超聲感知至關重要，并在整個聽覺環路中發揮作用。

該研究還發現具有回聲定位能力的小蝙蝠和齒鯨中CPLX1的第90個氨基酸是丙氨酸（A），而其他哺乳動物物種的是保守的絲氨酸（S）。這一結果表明回聲定位哺乳動物之間在進化過程中存在功能適應，CPLX1 基因在具有回聲定位能力的小蝙蝠和齒鯨之間呈現趨同進化現象，這意味著CPLX1不僅是一個重要的超聲感知相關基因，而且可能在回聲定位中發揮重要作用。

上述研究由廣州醫科大學-中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院聯合生命科學學院、廣州國家實驗研究員董驥團隊，廣州國家實驗室研究員尚從平團隊，北京師范大學教授王曉群團隊和廣東省科學院動物研究所研究員張禮標團隊合作完成。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-024-01781-z