SOX10基因在内耳发育中的作用

郝青青侯琨钟玲玲,2任巍郭维维杨仕明

1中国人民解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科

2南开大学医学院

SOX10基因在内耳发育中的作用

郝青青1侯琨1钟玲玲1,2任巍1郭维维1杨仕明1

1中国人民解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科

2南开大学医学院

SOX10基因（性别决定区盒基因，SRY-box 10）是调控神经嵴发育的关键转录因子。人类SOX10基因突变会导致神经嵴性疾病，如以耳聋及色素异常为主要表型的Waardenburg综合征。近年来发现SOX10在内耳发育早期即广泛表达于耳板及耳囊，且其突变可导致不同程度内耳畸形。本文重点讨论SOX10基因在内耳发育时期的动态表达，及其在内耳发育中的重要作用。

SOX10基因；内耳发育

Thiswork was supported by grants from the NationalNatural Science Foundation of China(No.81670940,81670941,81570933, and 81400472),and Special Cultivating and Developing Program of Beijing Science and Technology Innovation Base (z151100001615050)

Theauthorshave declared thatno competing interestsexist

哺乳动物内耳由耳蜗及前庭组成，分别行使听觉及平衡觉的重要功能。外胚层来源的听板(otic placode)逐渐发育分化成为内耳膜迷路，包括耳蜗、前庭及半规管的绝大多数细胞[1]，此外尚有少部分神经嵴来源细胞(neural crest cell,NCC)分化为血管纹的黑色素细胞及前庭蜗神经的神经胶质细胞[2]。SOX10基因（性别决定区盒基因，SRY-box 10）与哺乳动物性别决定因子（sex determining region Y，SRY）基因相关，其表达序列在多个物种中间相对保守，目前已知SOX10基因是神经嵴发育的关键调节基因[3,4]，且在包括内耳在内的多个组织器官广泛表达[5]。本文就SOX10基因在内耳发育过程中的功能等相关研究进行综述。

1 SOX10基因简介

1993年，Wright等[6]通过对胚胎11.5天的小鼠组织RNA的RT-PCR分析，首次发现了SOX10基因。人类SOX10定位于染色体22q13.1区域，其cDNA全长1.4 kb，含有5个外显子，其中只有3、4、5号外显子编码蛋白，5’端非编码区含有一个或一个以上的非编码外显子[7]。

SOX10基因编码的蛋白是一种转录因子，属于SOX基因超级家族成员，该家族蛋白特点为含有一高度保守的高活性组分结构域(high mobility group，HMG)，包括20个转录因子，根据其编码的蛋白序列特点分为9组，分别为A、B1、B2、C、D、E、F、G、H组，SOX10和SOX8、SOX9属于SOX E组[7,8]。SOX10蛋白含有466个氨基酸，相对分子质量约51000，其主要功能是通过HMG结构域识别并结合靶基因启动子DNA，导致DNA的构象发生改变。SOX10蛋白之间可以通过单聚体或二聚体形式以多种方式激活靶基因并调节其转录：可直接或者与其他转录因子协同作用于靶基因的转录，也可以和其他转录因子形成螯合复合体而间接影响靶基因的转录[9,10]。

2 脊椎动物内耳发育和组织起源

内耳是一微小但精细的结构，人类内耳约占有150mm3的空间[11]，但正是这一“迷你”结构却具有强大的生理功能。脊椎动物的内耳起源于外胚层一块平坦的区域——听板，听板逐渐内陷，在鱼类经历囊泡化、羊膜类动物经历螺旋化的形态改变，形成听囊[1,12,13]。听囊经历更复杂精细的形态变化和细胞分化最终形成膜迷路的各个感觉器以发挥其强大的生理功能。此外，神经嵴细胞自胚胎发育早期开始从侧神经管分层，广泛迁徙到胚胎的不同部分，在哺乳动物的内耳，神经嵴形成血管纹中介细胞（耳蜗的分泌上皮）以及耳蜗前庭神经节的卫星胶质细胞[1]。随着越来越多的学者深入研究，已证实哺乳动物内耳除了神经嵴来源的血管纹中间细胞及第八对脑神经的Schwann细胞，其它构成成熟内耳的各类细胞，包括第八对脑神经的神经元，几乎全部起源于胚胎早期的听板(otic placode)[1,12-15]。值得注意的是，听囊发育早期，第八对脑神经神经元祖细胞由耳囊特化的细胞分化发育，且与NCC来源的神经胶质细胞串联发展，相互作用[1,14]。

人内耳在胚胎早期开始发育，约于胚胎第3周时菱脑两侧外胚层开始局部增厚形成听板(otic placode)；胚胎第4周听板上皮内陷形成听泡(otic cup)，并逐渐下沉入间充质，脱离外胚层成为听囊(otic vesicle or otocyst)；胚胎第5周时听囊在背侧形成前庭部，在腹侧延伸成耳蜗部；至胚胎第8周耳蜗发育基本完成；胚胎第11周前庭部分发育完全，三个半规管于第19周至第22周期间发育；迷路骨化约于胚胎第23周完成，胚胎第26周到第28周左右整个内耳基本发育成熟[14-17]。

目前已有充分的研究证实，脊椎动物内耳大体结构的发育过程具较高可比性，但发育的速率则具有较大差异[12]。一方面，从较低等的鱼类、两栖类，到较高级的啮齿动物和偶蹄动物等，有丰富的脊椎动物模型可供研究内耳胚胎发育过程及组织起源。另一方面，内耳发育速率不同，听觉晚熟的动物模型不能很好地模拟人内耳发育过程，从而难以提供精确研究结果。医学研究常用的啮齿类动物属于听觉晚熟类模型[18,19]，近年来，与人类相似属听力早熟类的小型猪模型逐渐被应用于遗传性耳聋研究，通过详尽的形态学等观察，证实小型猪内耳发育与人类相似度高[20-22]，这一动物模型的推广应用将为人内耳发育研究带来进步。

3 SOX10基因在内耳发育过程中动态表达

早在1998年，Bondurand等人[23]通过对人类胚胎的研究已经证实，SOX10基因在人胚胎发育4周时广泛表达于耳囊，随着进一步发育，SOX10基因主要表达于向周围神经系统、神经胶质细胞及内耳色素细胞定向发育的神经嵴细胞宗系，且其在人类组织表达范围广于啮齿类。随后，Watanabe等人[24]观察小鼠内耳不同发育时期，详细阐述了SOX10基因在内耳发育过程中动态表达情况，在小鼠胚胎发育第11.5天(E11.5)，SOX10基因表达于整个听囊及间充质中散在的神经嵴来源的成黑色素细胞，至E16.5，SOX10基因表达于耳蜗及前庭系统的上皮细胞，且随着内耳发育成熟，SOX10表达水平递减。Wakaoka等人[25]追踪小鼠内耳发育过程中表达SOX10的具体细胞来源，进一步明确E8.5耳板形成时期到E11.5蜗管开始延伸时期整个耳囊均高表达SOX10基因，随后表达局限于内耳上皮细胞、血管纹中间细胞（神经嵴来源的黑色素细胞）和前庭及螺旋神经节的胶质细胞，出生后SOX10表达在内耳的非感觉上皮、血管纹、前庭蜗神经纤维、前庭膜及前庭阶面的所有支持细胞，而成熟的毛细胞不再表达SOX10。同期，Locher等[26]进一步研究人类胚胎耳蜗发育时期SOX10表达情况，同样证实在耳蜗发育早期，即约胚胎第10周左右（W10）蜗管开始延伸时期，SOX10基因表达于蜗管所有上皮细胞，W12时，分化为毛细胞的耳蜗上皮细胞SOX10表达逐渐降低，至W20，毛细胞发育成熟不再表达SOX10，耳蜗Corti氏器的支持细胞、血管纹黑色素细胞及螺旋神经节的Schwann细胞仍表达SOX10，这一变化表明人耳蜗发育成熟开始发挥听觉功能。目前，已有多个研究证实，SOX10基因在内耳发育早期高表达，并且表达持续整个内耳发育时期，其在早期整个耳板及耳囊广泛表达，并不仅限于内耳神经嵴来源的黑色素细胞，这种时间及空间的动态表达特点提示SOX10基因在内耳发育过程中扮演重要角色。

4 SOX10基因突变与内耳发育畸形

在人类SOX10基因突变可导致神经嵴发育异常来源的一系列疾病，包括中枢髓鞘异常脑白质营养不良（Central dysmyelinating leukodystrophy）、外周脱髓鞘神经病（peripheral demyelinating neuropa⁃thy）、瓦登伯格综合征（Waardenburg syndrome，WS）以及先天性巨结肠（Hirschsprung's disease）等。其中，Waardenburg综合征属于先天性遗传性疾病，是最常见的综合征型耳聋，属神经嵴病之一，是由于NCC发育异常而导致的以感音神经性耳聋和虹膜异色为主要特征的一组临床症候群[24]。临床根据不同表型将WS分为4型(WS1-4型)，并已报道6种WS致病基因，其中SOX10基因突变多导致WS2型和WS4型[27,28]。目前，关于Waardenburg综合征SOX10基因突变导致的感音神经性耳聋的机理，主要推论为SOX10基因突变导致其下游靶基因表达异常，从而造成内耳NCC源性细胞（包括血管纹黑色素细胞和前庭及螺旋神经节胶质细胞）发育异常而致聋[29,30]。

虽然内耳NCC源性细胞分化缺陷可导致耳聋，但临床所报道SOX10基因突变所致的waarden⁃burg综合征病例表型具较高异质性，且SOX10基因在内耳非NCC来源的细胞发育早期也广泛表达，提示其对内耳发育具有更直接的作用。越来越多的研究证实SOX10基因突变与内耳发育畸形相关。Elmaleh-Berges等[31]发现SOX10基因突变的WS病例较易合并前庭及半规管畸形。徐广雨等[32]对国内WS患者进行统计分析，同样验证了SOX10基因突变的WS病例发生内耳畸形的概率高于其它基因突变的WS病例。

SOX10突变的一些动物模型中也可观察到不同程度的内耳发育异常。SOX10突变的斑马鱼在受精卵发育27小时左右可观察到耳囊轻微异常，表现为耳板细胞层较同期正常受精卵变薄，48小时后耳囊泡形态明显畸形并小于正常，之后观察到上皮突形成延迟，最终内耳发育畸形[33]。在非洲爪蟾SOX10突变后内耳畸形表型更重，出现耳囊缺失[34]。而SOX10突变的小鼠内耳表型则复杂多样。首先SOX10突变对小鼠胚胎内耳发育早期无明显影响，耳板、耳囊可正常诱导发育且形态无明显异常，在胚胎发育晚期，可观察到突变胚胎较同窝正常胚胎蜗管缩短[35]，而SOX9突变小鼠观察到胚胎发育早期耳板不能内陷进而退化[36]，说明在小鼠中，SOX10基因可能不直接参与耳板及耳囊的形态发生，突变后其作用可能被SOX9补偿。

SOX10突变导致内耳发育异常进一步证实SOX10基因可直接调控内耳发育。Breuskin等[34]在对SOX10突变非洲爪蟾模型研究中发现，SOX10表达缺失后Jag1表达减少，内耳感觉上皮祖细胞未能继续维持及分化，从而推断转录因子SOX10作用于其靶基因Jag1而介导Notch通路，在内耳发育过程，特别对于内耳感觉上皮祖细胞的存活及分化具重要作用。但目前对SOX10调控内耳发育的靶基因及参与的信号通路研究仍不足。一方面缺乏有效动物模型，啮齿类属听力晚熟动物，鱼类、蟾蜍等与人内耳形态差别较大，均不能很好模拟人类内耳发育过程。另一方面，临床内耳畸形病例多散发，且取材困难。近年来，小型猪作为动物模型在医学的应用逐渐广泛，且有研究证实其内耳无论形态还是发育过程均与人类十分相似[37-39]。且国内已有学者利用CRISPR/Cas9诱导技术生产了SOX10突变的waardenburg综合征小型猪模型[40]，期待今后利用该模型能更加准确、深入地研究SOX10基因调控内耳发育的具体分子生物学机制。

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Sox10 promotes inner ear development

HAOQingqing1，HOUKun1,ZHONGLingling1,2,RENWei1,GUOWeiwei1,YANGShiming1
1Beijing Key Laboratory ofHearing ImpairmentPrevention and Treatment,Key Laboratory ofHearing ImpairmentScience, ChinesePLAMedical School,Beijng,China.
2Medical SchoolofNankaiUniversity,Tianjin,China.

YANGShiming Email:yangsm301@263.net

SOX10(SRI-box 10)plays an essential role as a transcription factor in neural crestdevelopment.Mutations of SOX10 can induce disorders related to neural crest cells defects.For instance,Waardenburg syndrome(WS)in humans is an auditory-pigmentary disorder characterized by sensorineural hearing loss and abnormal pigmentation of the hair,skin and iris.Recently,accumulating evidence shows that SOX10 is w idely expressed in the inner ear during early development,and that itsmutations can result in various typesof inner ear deform ities.The current review focuses on expression patternsand crucial impactsof SOX10 on innerear development.

SOX10;Innerear development

R764

A

1672-2922（2017）02-245-4

2017-03-07审核人：翟所强）

10.3969/j.issn.1672-2922.2017.02.020

国家自然科学基金面上项目(81670940；81670941；81570933)，青年基金(81400472)，北京科技创新基地培育与发展专项(z151100001615050)。

郝青青，博士,耳科学

杨仕明，Email:yangsm301@263.net