Rho GTP酶家族在耳蜗毛细胞和感音神经性耳聋中的作用

doi:10.4103/1673-5374.369101

摘要/Abstract

摘要：

Rho GTPases是肌动蛋白细胞骨架的重要调节器。它们参与各种生理和生化过程，如调节细胞骨架的动态、发育、增殖、生存和再生。在耳蜗毛细胞的发育过程中，Rho GTPases通过膜受体被各种细胞外信号激活，并激发多种下游效应器发挥作用。具体来说RhoA，Cdc42和Rac1可以通过诱导肌动蛋白单体的聚合以及肌动蛋白丝的稳定来调控纤毛的发育和维持，以及作为细胞极性调控的重要元件来影响听觉毛细胞纤毛束的正常形态的定向，同时他们介导的肌动蛋白相关通路在外毛细胞运动过程中也发挥作用。总之Rho GTPases的功能在高度极性的听觉感官系统中至关重要。文章综述了Rho GTPase家族典型亚家族成员RhoA，Cdc42和Rac1在耳蜗毛细胞的表达以及这些小分子蛋白参与耳蜗毛细胞纤毛束的形态发生和外毛细胞运动的机制，并且总结了这些小分子作为感音神经性耳聋治疗的药物靶点的研究现状，从而为感音神经性耳聋的治疗启发了新的方向和思路。

https://orcid.org/0000-0002-2080-8862 (Jie Gong); https://orcid.org/0000-0002-2764-6544 (Dong Liu)

Abstract: Rho GTPases are essential regulators of the actin cytoskeleton. They are involved in various physiological and biochemical processes such as the regulation of cytoskeleton dynamics, development, proliferation, survival, and regeneration. During the development of cochlear hair cells, Rho GTPases are activated by various extracellular signals through membrane receptors to further stimulate multiple downstream effectors. Specifically, RhoA, Cdc42, and Rac1, members of the classical subfamily of the Rho GTPase family, regulate the development and maintenance of cilia by inducing the polymerization of actin monomers and stabilizing actin filaments. In addition, they also regulate the normal morphology orientation of ciliary bundles in auditory hair cells, which is an important element of cell polarity regulation. Moreover, the actin-related pathways mediated by RhoA, Cdc42, and Rac1 also play a role in the motility of outer hair cells, indicating that the function of Rho GTPases is crucial in the highly polar auditory sensory system. In this review, we focus on the expression of RhoA, Cdc42, and Rac1 in cochlear hair cells and how these small molecules participate in ciliary bundle morphogenesis and cochlear hair cell movement. We also discuss the progress of current research investigating the use of these small molecules as drug targets for deafness treatment.

Key words: actin assembly, auditory sensory neurons, cell polarity, cell proliferation, electromotility, hair cell, hearing loss, morphogenesis, Rho GTPases, stereocilia

. Rho GTP酶家族在耳蜗毛细胞和感音神经性耳聋中的作用[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2023, 18(10): 2167-2172.

Yu-Bei Dai, Xiang Gao, Dong Liu, Jie Gong. The role of Rho GTPase family in cochlear hair cells and hearing[J]. Neural Regeneration Research, 2023, 18(10): 2167-2172.

参考文献

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延伸阅读

NRR：南通大学刘东团队提出Rho GTPase家族成员是治疗感音神经性耳聋的潜在靶点

Rho GTPase家族最被人熟知的功能是作为肌动蛋白细胞骨架组装的关键调节因子[1]，其中研究最多是RhoA，Rac1和Cdc42。他们参与了许多依赖肌动蛋白的细胞过程，如神经元的引导、细胞增殖/分裂、细胞运动/迁移、细胞极性建立等[2–4]，同时也被证实在高度极化的感觉细胞（器官）中发挥作用，包括耳蜗毛细胞（HCs）[4]，具体来说RhoA，Cdc42和Rac1可以通过诱导肌动蛋白单体的聚合以及肌动蛋白丝的稳定来调控纤毛的发育和维持，以及作为细胞极性调控的重要元件来影响听觉毛细胞纤毛束的正常形态的定向，同时他们介导的肌动蛋白相关通路在外毛细胞运动过程中也发挥作用。例如Rac1参与调节耳蜗毛细胞顶端膜局部肌动蛋白丝组装的起始阶段和延伸阶段以及毛细胞的分化[5]。然而，RhoA、Rac1和Cdc42在耳蜗毛细胞的生长发育和听力维持中的作用通路仍缺乏深入而全面的总结。

近期，南通大学的刘东和巩杰团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“Role of the Rho GTPase family in cochlear hair cells and hearing”的文章，综述了Rho GTPase家族典型亚家族成员RhoA，Cdc42和Rac1在耳蜗毛细胞的表达以及这些小分子蛋白是如何参与耳蜗毛细胞纤毛束的形态发生和外毛细胞运动，并且这些小分子作为感音神经性耳聋治疗的药物靶点的研究现状。在耳蜗毛细胞的发育过程中，Rho GTPases通过膜受体被各种细胞外信号激活，并激发多种下游效应器发挥作用。总之Rho GTPases的功能在高度极性的听觉感官系统中至关重要。该文为听力疾病的治疗启发了新的方向和思路。戴雨蓓和高翔为论文共同第一作者，刘东教授和巩杰副教授为论文通讯作者。

RhoA、Cdc42、Rac1三位亚家族成员在耳蜗中都有明显表达：RhoA 的mRNA原位杂交实验表明，RhoA在小鼠耳蜗中普遍表达[6]。Du H等人用免疫细胞化学方法定位Cdc42蛋白，发现其在毛细胞静纤毛中表现出强烈的表达，并于内耳毛细胞的顶端和支持细胞中少量表达[7]。同样地，用anti-Rac1抗体进行免疫染色，结果显示：在毛细胞中，Rac1染色在新生的毛束中特别突出，描绘了整个静纤毛和动纤毛的长度[5]。并且它们分别对应的特异性失活小鼠都表型出不同程度的纤毛缺陷以及神经退行性耳聋疾病，所以作者对于此过程可能涉及到的工作通路进行了综述。

1.首先静纤毛的发育开始于一个成核事件，三个肌动蛋白单体（G-actin）相互作用形成一个三聚体，称为肌动蛋白核，静纤毛的生长需要添加新的纤丝以增加宽度，肌动蛋白聚合以增加纤丝长度[8]。Rho GTP酶调控的肌动蛋白动力学对立体纤毛的生长至关重要（图1）。具体来说，在静纤毛的初始发育阶段，RhoA与Formins蛋白的GBD结构域结合以缓解其自身抑制状态。然后，Formins的FH2结构域参与肌动蛋白成核，FH1结构域与profilin蛋白相互作用以协助G-actin（肌动蛋白单体）的募集。同时，Cdc42和Rac1通过N-WASP（the Wiskott–Aldrich综合蛋白）激活Arp2/3（一种成核因子）复合物[9]，刺激肌动蛋白聚合并在毛细胞顶端表面形成肌动蛋白核心。此外，FH1结构域激活profilin聚合肌动蛋白，加速肌动蛋白成核速率并促进F-actin（肌动蛋白丝）的形成[10]。在纤毛的延伸阶段，RhoA、Cdc42和Rac1共同参与MLC/LIMK的磷酸化[11]，以调节肌动蛋白解聚和聚合，维持F-actin的稳定和动态平衡。

2.另外由于RhoA、Cdc42以及Rac1对肌动蛋白聚合的特异性作用以及作为细胞极性信号传感器的多功能性，使得它们成为研究耳蜗毛细胞极性的候选对象。它们参与非经典Wnt/PCP通路来调控耳蜗毛细胞的平面细胞极性并通过调控动纤毛的迁移来影响单个细胞固有极性，从而造成听力受损（图2）。在组织层面，Wnt蛋白（例如 Wnt5a）与细胞表面的跨膜受体结合，然后通过 Dvl（PCP蛋白）激活 RhoA/Rac1，此过程需要Daam1的参与，RhoA同时激活ROCK，随后有助于微管的稳定和肌动蛋白细胞骨架的完整性[12]。在单个细胞层面，Rac1及其效应器Pak是第一个确定的HC固有极性的调节剂。Rac-Pak信号活性在微管和HC（毛细胞）表面的连接处富集，以控制动纤毛的运动和静纤毛束的形态[5]。

3.不过RhoA影响声音信号传播还有另一个原因：因为影响OHC(外毛细胞)细胞骨架的完整性，导致外毛细胞电运动受阻，放大声音信号的功能受损（图3）。外毛细胞电运动即通过某种形式的运动以反馈机制影响听觉感受器局部的机械振动，从而使微弱的声音刺激信号得以放大[13]。这个过程至少部分依赖于通过LIMK(LIM激酶)/cofilin（肌动蛋白解聚因子)介导的信号控制肌动蛋白丝的解聚速率[14]。例如，LIMK促进cofilin磷酸化以降低肌动蛋白丝解聚速率，这进一步导致OHCs的伸长增加，通过在RhoA激活剂刺激后稳定皮质细胞骨架。相反，cofilin磷酸化的减少抑制了OHC的电动振幅和长度。此外，RhoA/ROCK/PKCa信号传导的激活也诱导adducin蛋白的磷酸化，adducin是actin-spectrin蛋白解离的著名启动因子，磷酸化以抑制F-actin与spectrin蛋白的解离[15]。外毛细胞的皮质细胞骨架基于F-actin与spectrin蛋白来维持细胞稳定性[15]。该过程负责OHC质膜中微域的重排[16]，这反过来又会调节这些OHC的电动性。

这些研究充分证明了Rho GTP酶及其激酶在正常听力维持中的关键作用，作者提到这些成果暗示了 Rho GTP酶及其激酶或许可以作为治疗听力疾病有希望的新靶点，目前Rho激酶抑制剂法舒地尔，已被广泛用于蛛网膜下腔出血后脑血管痉挛的临床治疗和心绞痛的临床评估，其安全性和有效性已得到证实[17]，并且在体内和体外实验中都有证明，rock抑制剂可以挽救突触损伤的耳蜗，并具有神经再生的能力[18]。此外，Rho GTPase的其他信号级联成员也具有肌动蛋白调节特性，它们是否也可能是治疗噪声或氨基糖苷类诱发性听力损失的重要靶点需要进一步研究。此外，GTPases蛋白已被测试为某些血管和神经系统疾病的药物靶标[19]，相应的药物也具有治愈听觉器官损伤和听力损失的潜力。然而，靶向Rho GTPase及其激酶治疗听力疾病的主要挑战是不同的Rho GTPase亚型具有非重叠功能，这仍需要进一步的详细研究。例如，现有的抑制剂无法区分ROCK1和ROCK2。而且除了听觉器官外，Rho GTPases在各种组织中表达，这可能会影响不可或缺的细胞功能。因此，干扰这些基本的细胞功能可能会产生不良影响，也是药剂学中需要解决的重要问题。总之，GTPases靶向治疗潜力的发展是一项有前途的努力，并显示出作为治疗听力疾病的新靶点的潜力。

近半个世纪以来，Rho GTPase家族的功能越来越多地被研究和揭示。它们是细胞中多种信号转导途径的基本分子，在细胞内信号转导中起桥接作用。由RhoA，Cdc42和Rac1介导的信号通路在听觉HC发育和听力传导中起着关键作用。它们的活性和相互作用直接决定了耳蜗HCs的形态发育、电动过程和极性状态。然而，驱动这些生理或疾病过程的机制仍然知之甚少，需要进一步研究。Rho GTP酶蛋白参与不同的信号通路，我们仍处于了解Rho GTPase蛋白与相关信号机制之间相互作用的初步阶段。除了RhoA，Cdc42和Rac1在听觉感觉神经元中的作用之外，大多数Rho GTPase成员的功能都缺乏知识。此外，大多数Rho GTPases相关蛋白质或信号通路在HC发育和听力传导过程中被孤立地研究，目前尚不清楚不同的信号机制如何相互合作，以及它们如何响应不同的生理过程被触发。因此，有必要进行进一步的研究，以阐明听觉系统中这些小GTP酶蛋白的生理和分子方面。它们的功能以及与其他成员在听觉HC发展中的相互作用需要进一步研究，以阐明治疗听力障碍的潜在前景。未来，对Rho GTPase家族的更详细研究有望揭示更复杂的调控网络。

图1 RhoA，Cdc42和Rac1通过调节肌动蛋白参与毛细胞纤毛束形态发生的信号通路

（图源：Dai et al., Neural Regen Res, 2023）

图2 RhoA，Cdc42和Rac1调节哺乳动物耳蜗毛细胞极性的信号通路

（图源：Dai et al., Neural Regen Res, 2023）

图3 .RhoA通过调节肌动蛋白参与外毛细胞电运动的信号通路

（图源：Dai et al., Neural Regen Res, 2023）

参考文献

1. Wang W, Halasz E, Townes-Anderson E. Actin dynamics, regulated by RhoA-LIMK-Cofilin signaling, mediates rod photoreceptor axonal retraction after retinal injury. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2019;60(6):2274-2285.

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3. Coleman ML, Olson MF. Rho GTPase signalling pathways in the morphological changes associated with apoptosis. Cell Death Differ. 2002;9(5):493-504.

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5. Grimsley-Myers CM, Sipe CW, Géléoc GS, et al. The small GTPase Rac1 regulates auditory hair cell morphogenesis. J Neurosci. 2009;29(50):15859-15869.

6. Anttonen T, Belevich I, Laos M, et al. Cytoskeletal stability in the auditory organ in vivo: rhoa is dispensable for wound healing but essential for hair cell development. eNeuro. 2017;4:ENEURO.0149-17.2017.

7. Du H, Zhou H, Sun Y, et al. The Rho GTPase cell division cycle 42 regulates stereocilia development in cochlear hair cells. Front Cell Dev Biol. 2021;9:765559.

8. Hakizimana P, Fridberger A. Inner hair cell stereocilia are embedded in the tectorial membrane. Nat Commun. 2021;12(1):2604.

9. de Souza LB, Ong HL, Liu X, et al. PIP2 and septin control STIM1/Orai1 assembly by regulating cytoskeletal remodeling via a CDC42-WASP/WAVE-ARP2/3 protein complex. Cell Calcium. 2021;99:102475.

10. Pinto-Costa R, Sousa MM. Profilin as a dual regulator of actin and microtubule dynamics. Cytoskeleton (Hoboken). 2020;77(3-4):76-83.

11. Lin T, Zeng L, Liu Y, et al. Rho-ROCK-LIMK-cofilin pathway regulates shear stress activation of sterol regulatory element binding proteins. Circ Res. 2003;92(12):1296-1304.

12. Feng D, Wang J, Yang W, et al. Regulation of Wnt/PCP signaling through p97/VCP-KBTBD7-mediated Vangl ubiquitination and endoplasmic reticulum-associated degradation. Sci Adv. 2021;7(20):eabg2099.

13. Ge J, Elferich J, Dehghani-Ghahnaviyeh S, et al. Molecular mechanism of prestin electromotive signal amplification. Cell. 2021;184(18):4669-4679.e13.

14. Matsumoto N, Kitani R, Maricle A, et al. Pivotal role of actin depolymerization in the regulation of cochlear outer hair cell motility. Biophys J. 2010;99(7):2067-2076.

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16. Kitani R, Park C, Kalinec F. Microdomains shift and rotate in the lateral wall of cochlear outer hair cells. Biophys J. 2013;104(1):8-18.

17. Vicari RM, Chaitman B, Keefe D, et al. Efficacy and safety of fasudil in patients with stable angina: a double-blind, placebo-controlled, phase 2 trial. J Am Coll Cardiol. 2005;46(10):1803-1811.

18. Zhang Y, Li W, He Z, et al. Pre-treatment with fasudil prevents neomycin-induced hair cell damage by reducing the accumulation of reactive oxygen species. Front Mol Neurosci. 2019;12:264.

19. Labandeira-Garcia JL, Rodríguez-Perez AI, Villar-Cheda B, et al. Rho kinase and dopaminergic degeneration: a promising therapeutic target for Parkinson's disease. Neuroscientist. 2015 Dec;21(6):616-29.

该研究由江苏省自然科学基金资助，No.BK20221377（巩杰）和江苏省高等学校自然科学基金，No. 22KJB180023（巩杰）。

上图为刘东实验室全家福