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生病打點滴時，為什麼要掛以0.9%氯化鈉成分為主的生理鹽水呢？這是因為人體細胞所處的體液滲透壓對應了0.9%的氯化鈉，過高或者過低的鹽濃度會引起血紅細胞的皺縮和膨脹，從而導致紅細胞的破裂。 事實上，在長期的進化過程中，生命體已經發展出對抗細胞形變壓力的多種機制。比如，植物細胞外面有一層厚厚的以纖維素和果膠為主的細胞壁，細菌也有一層以肽聚糖為主的胞壁，保護它們在遇到大雨時，細胞不會破裂。那麼對於柔軟的動物細胞來說，在遇到低滲環境怎樣維持細胞的形態和大小呢？
過去的研究表明，處於低滲環境時，動物細胞會膨脹，造成細胞膜上的非選擇性正離子通道（NSCC）激活，提升細胞內的鈣濃度，通過系列生理和生化變化，將細胞內的無機離子和一些有機小分子驅除出去，降低細胞內的滲透壓，從而和細胞外的低滲環境保持一致，恢復細胞的大小和形態，這樣的過程稱為調節性容積減小（RVD）。
儘管在數十年前就已經知道細胞膜上存在細胞容積膨脹激活的NSCC，然而這個滲透壓感受器到底是什麼分子卻一直不清楚(1-3)。近日，南京大學模式動物研究所的石雲課題組和萬國強課題組在Cell Reports 上聯合發表了題為The Cation Channel TMEM63B Is An OsmosensorRequired for Hearing（正離子通道TMEM63B是聽覺必須的滲透壓感受器）的重要科研論文。
在這篇論文里，研究者研究了一個功能未知的正離子通道TMEM63B。發現敲除這個基因後，小鼠對聲音完全沒有反應（耳聾，圖1A）。仔細研究發現TMEM63B在小鼠的內耳聽毛細胞高度表達。哺乳動物的聽毛細胞分布在被稱為柯蒂氏器的組織上，為1排內毛細胞和3排外毛細胞（圖1B）。
小鼠出生後大約14天，耳道打開並開始出現聽力反應。研究者發現在TMEM63B敲除小鼠，內耳外毛細胞在小鼠有了聽力之後迅速程序性壞死（necroptosis）(圖1B，C)。
這種細胞死亡方式暗示細胞經歷過溶脹過程(4)。研究者於是用低滲溶液處理外毛細胞，發現正常的外毛細胞能夠抵抗低滲刺激，維持細胞形態，而TMEM63B敲除的外毛細胞對低滲完全沒有抵抗力，迅速膨脹變圓（圖1D）。
值得注意的是，研究者用了很微弱的低滲刺激，僅僅將滲透壓降低了5%（從正常的300mOsm/L降到285mOsm/L），可見外毛細胞對於滲透壓變化多麼敏感。正常外毛細胞在低滲處理時細胞內鈣濃度會上升，而TMEM63B敲除的外毛細胞在低滲時細胞內鈣濃度不變（圖1E），表明TMEM63B介導了鈣內流，引起了RVD。
研究者進一步用細胞系表達TMEM63B和同一家族的TMEM63A和TMEM63C，發現它們都是低滲激活的正離子通道，在低滲處理時，介導鈣離子進入細胞，所以它們是科學家長期尋找的滲透壓感受性的NSCC。
那麼問題來了，TMEM63B在內毛細胞和外毛細胞都高度表達，為什麼敲除TMEM63B只有外毛細胞死亡，而內毛細胞卻相安無事呢（圖1B）？
這和外毛細胞特殊的形態以及生理功能有關。眾所周知，人類能夠聽到的聲波頻率在幾千到幾萬赫茲，而且能夠精準區分不同頻率的聲波，這是因為耳蝸內有一個稱為柯蒂氏器的組織，它能夠區分音波的頻率，在特定位置引發最大強度的機械震盪（請參考生理教科書上的行波理論）。
柯蒂氏器上的外毛細胞是細長的圓柱狀上皮細胞，只有頂膜和基底膜附著在相鄰的支持細胞上，整個側面都暴露於淋巴液中。這樣的結構使得外毛細胞與柯蒂氏器一起以同樣的頻率伸縮震盪。柯蒂氏器和其上的外毛細胞的機械震盪對於對哺乳動物聽覺敏感度必不可少，這是我們能夠欣賞音樂的細胞學基礎。
然而外毛細胞的高頻震盪引起了嚴峻的變形和溶脹挑戰（可以想像成一個彈簧，每秒鐘伸縮1萬次），研究者認為TMEM63B介導的RVD過程可以緩解這一壓力。
圖1. TMEM63B敲除導致小鼠耳聾。
A.聽力腦幹反射（ABR）在TMEM63B敲除的小鼠完全缺失，表明小鼠沒有聽力。B. 在TMEM63B敲除的小鼠耳蝸，外毛細胞大量丟失。C.這些外毛細胞死於程序性死亡，RIP3信號表明necroptosis細胞死亡途徑激活。D.在給與微弱的低滲處理時（從300mOsm/L降到285mOsm/L）時，正常外毛細胞形態維持不變。而TMEM63B敲除的細胞快速膨脹變圓。E. 正常外毛細胞在低滲處理時，胞內鈣信號增強，敲除細胞胞內鈣信號不變。
接著新問題來了，既然外毛細胞的震盪頻率高達數萬赫茲（每次伸縮周期低於0.1毫秒），TMEM63B介導RVD有這麼高的時間靈敏度嗎？研究者發現TMEM63B主要表達在外毛細胞的基底膜上（圖2），這樣的表達分布有兩個好處：第一、在細胞伸縮震盪時，基底膜有最大的曲張度變化，有利於TMEM63B通道的激活；第二、TMEM63B下游的反應分子--鈣激活的鉀離子通道也位於基底膜上，空間上的緊密偶聯，使得細胞的形變信號能夠快速地轉化為鉀離子的釋放，從而快速地維持細胞形態（圖2）。這樣的發現使人不得不感慨生命體精準的裝配機制。本論文的創新發現在於確認了TMEM63通道家族是細胞容積敏感的非選擇性正離子通道，解決了數十年來一直不清楚的一個科學疑題。同時解釋了TMEM63B作為滲透壓感受器，在聽外毛細胞中的保護作用機制。這篇論文也明確地揭示了鈣依賴性的RVD對於聽毛細胞在正常聲音條件下具有不可或缺的保護作用，而這一點在過去完全不知道。本文的發現為噪聲性耳聾提出新的治療靶點。
南京大學博士研究生杜晗、葉暢和吳丹為該文的共同第一作者。萬國強副教授和石雲教授為該文的共同通訊作者。石雲教授亦是南京大學生物醫藥國家重點實驗室和鼓樓醫院聯合中心、南京大學化學和生物醫藥創新中心、南京大學腦研究院的兼職PI。萬國強副教授是南京大學生物醫藥國家重點實驗室的兼職PI。本研究受到科技部重大專項基金，國家自然基金委和教育部中央高校基金的支持。
圖2. TMEM63B保護聽覺外毛細胞的機制示意圖。
Tmem63b基因敲除小鼠對聲音完全沒有反應。它們耳蝸內外毛細胞全部丟失，原因是缺少TMEM63B後，外毛細胞會持續膨脹，形態無法維持。
1.Wehner, F. (2006) Cell volume-regulated cation channels. Contributions to nephrology 152, 25-53
2.McCarty, N. A., and O'Neil, R. G. (1992) Calcium signaling in cell volume regulation. Physiological reviews 72, 1037-1061
3.Christensen, O. (1987) Mediation of cell volume regulation by Ca2+ influx through stretch-activated channels. Nature 330, 66-68
4.Okada, Y., Maeno, E., Shimizu, T., Dezaki, K., Wang, J., and Morishima, S. (2001) Receptor-mediated control of regulatory volume decrease (RVD) and apoptotic volume decrease (AVD). J Physiol 532, 3-16
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