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这篇综述聚焦 TMC1 和 TMC2 在听觉机械电转导中的关键作用。研究发现它们是听觉转导的关键离子通道，位于毛细胞静纤毛尖端。其作用缺失会导致听力和平衡障碍，且具有机械门控特性。还探讨了其门控机制及研究方向，值得一读。
引言
听觉的产生依赖于耳蜗内的机械电转导机制，该机制能将机械力转化为电信号。柯蒂氏器（organ of Corti）是声音引发机械电转导的起始部位，人类的柯蒂氏器包含超过 16,000 个特殊的机械感受毛细胞，这些毛细胞按音调排列。
毛细胞顶端的静纤毛对周围物理环境的位移高度敏感，静纤毛通过顶端连接（tip-link）相互连接，形成高度分级、类似楼梯状的毛束结构。毛细胞的机械敏感性极高，能对广泛频率的声音做出响应，在听觉阈值下，基底膜振动幅度小于 0.1nm，而听觉系统能响应的声音压力范围从 0dB 到超过 100dB，声音幅度差异可达十万倍。
当声音引起毛细胞的毛束偏转时，会拉伸静纤毛之间的顶端连接，顶端连接将力传递给机械电转导（MET）通道，从而激活这些通道。阳离子通过 MET 离子通道流入细胞，使毛细胞去极化并释放神经递质，传递感觉信息。然而，尽管对听觉转导的理解有了一定进展，但声音转化为电信号的精确分子机制在过去四十多年里一直是个谜。目前的主流理论认为，毛细胞通过毛束尖端的机械门控离子通道对偏转做出反应。
一种蛋白若要被认定为真正的听觉机械转导离子通道，必须满足多个严格标准：它必须是能被机械刺激激活的离子通道，且直接参与毛细胞初级感觉细胞的机械转导过程；其定位也很关键，必须存在于静纤毛尖端，这是机械刺激转化为电信号的特定亚细胞结构；此外，该通道缺失应导致毛细胞 MET 电流消失和失聪，表明其在机械转导过程中不可或缺。基于这些标准，本文回顾了近期研究进展，发现有充分证据表明 TMC1 和 TMC2 蛋白就是人们长期寻找的听觉转导 MET 通道。
TMC1/2 在听觉转导和毛细胞机械敏感性中的不可或缺作用
跨膜通道样蛋白（TMC 蛋白）是一类在动物界广泛表达的跨膜蛋白，拥有一个约 120 个氨基酸的保守结构域 ——TMC 结构域。在人类和小鼠中，已鉴定出 TMC 蛋白家族的八个成员（TMC1 - TMC8）。
其中，TMC1 在耳蜗（出生后第 3 天开始表达，P5 时稳步增加）和前庭毛细胞中持续表达，而其密切相关的旁系同源蛋白 TMC2 在耳蜗毛细胞中短暂表达（出生后 7 天内），但在前庭毛细胞中持续表达。这两种蛋白主要定位于哺乳动物毛细胞的机械转导位点 —— 静纤毛尖端。
TMC1 最初被确定为导致进行性听力损失（DFNA36）和严重先天性耳聋（DFNB7/B11）的耳聋基因，对耳蜗和前庭系统中毛细胞的功能至关重要。在小鼠中，TMC1 缺失或其突变体（如 Beethoven（Bth）和 deafness（dn）模型）会导致失聪。TMC2 缺失对听觉功能的最终发育没有影响，因为在发育过程中有一个阶段（出生后 7 天内）TMC2 占主导地位，之后会被 TMC1 取代。而 TMC1 和 TMC2 同时缺失会导致严重的听力和平衡障碍。
为探究 TMC1 和 TMC2 蛋白将机械刺激转化为电脉冲的可能性，研究人员对Tmc1或Tmc2突变小鼠的毛细胞进行了电生理记录。最初对Tmc1突变小鼠（Bth和dn品系）耳蜗毛细胞的电生理研究表明，P6 - 8 时外毛细胞的 MET 电流仍然存在，因此曾有人推断 TMC1 对 MET 电流并非必需。但后来发现，TMC2 缺陷会导致出生后第一周毛细胞的 MET 电流受损，而Tmc1?/?; Tmc2?/?小鼠的毛细胞则完全失去对机械刺激的反应。
综合这些结果表明，小鼠内耳毛细胞的机械转导需要 TMC1 和 TMC2 基因。进一步研究发现，在Tmc1?/?; Tmc2?/?小鼠的毛细胞中过表达 TMC1 或 TMC2 足以恢复机械敏感性，这表明它们在介导 MET 电流方面具有冗余功能。有趣的是，表达 TMC2 只能部分恢复 TMC1 功能障碍的失聪小鼠的听力，且其听觉功能会逐渐恶化，这表明这些蛋白质在听觉转导中发挥相似但并不完全相同的功能。
此外，当 TMC1 发生突变时，毛细胞的 MET 电流特性会改变，如 Ca2+通透性和单通道电导发生变化，这有力地证明了 TMC1 作为初级感觉毛细胞中机械转导离子通道的作用。
TMC1/2 在异源系统中显示出机械门控离子通道活性
早期研究发现 TMC1 突变小鼠出现耳聋表型，Tmc1?/?;Tmc2?/?毛细胞中机械转导电流缺失，且 TMC1 和 TMC2 定位于听觉机械转导位点（静纤毛尖端），这些发现使 TMC1/2 成为听觉 MET 通道的有力候选者。然而，许多其他与耳聋相关的基因也符合这些标准，要确定 TMC1/2 作为听觉 MET 离子通道的作用，关键是要证明它们确实是能被机械力门控的离子通道。最关键的实验是测试 TMC1/2 的异源表达能否赋予非机械敏感系统（如 HEK293 细胞系）机械敏感性。但不幸的是，在培养细胞中表达 TMC1/2 时，它们会被困在内质网中，无法定位到细胞膜上，这阻碍了功能检测。
此前研究利用蛋白脂质体绕过了这一技术难题。研究人员成功纯化了绿海龟的Chelonia mydas TMC1（CmTMC1）和虎皮鹦鹉的Melopsittacus undulatus TMC2（MuTMC2），并将它们整合到人工脂质体的膜表面。值得注意的是，海龟和鸟类与哺乳动物类似，其毛细胞中通常具有顶端连接结构。脂质体中的 CmTMC1 和 MuTMC2 蛋白表现出离子通道活性，通道电导分别为 40.5 ± 2.2pS 和 35.5 ± 2.2pS，并且它们对负压机械刺激均表现出剂量依赖性反应。此外，具有哺乳动物相应耳聋突变的 CmTMC1 机械敏感性受损，进一步支持了其作为机械门控离子通道孔形成亚基的作用。
尽管从脊椎动物 TMC1/2 的重组蛋白脂质体中获得了初步证据，但这种方法存在技术难题，难以进行进一步实验。首先，纯化高质量的 TMC1/2 蛋白用于功能实验要求很高，尤其是处理 TMC1 的几种突变蛋白时，需要付出大量努力。而且，哺乳动物 TMC1/2 是否为机械门控离子通道仍有待探索。使哺乳动物 TMC1/2 在异源培养细胞系统中实现膜转运，有助于在天然细胞膜内表征其 MET 通道特性，为其作为听觉机械转导器的功能提供关键证据。
近期研究通过点突变策略和全基因组 CRISPRi 筛选，在异源细胞中构建了靶向膜的小鼠 TMC1/2，使其表现出机械门控电流。CRISPRi 筛选发现，抑制 ARL1、RGP1 和 UROD 转录可使全长人类 TMC1/2 在细胞表面表达。首次揭示了人类 TMC1/2 在质膜上的定位能对培养细胞中的戳刺刺激做出强烈反应。异源表达的人类 TMC1/2 分别表现出拉伸激活电流和明显的单通道活性，单通道电导分别为 51.44 ± 4.81pS 和 49.65 ± 5.91pS。有趣的是，与耳聋相关的突变会影响在培养细胞中记录到的 TMC1 的反转电位，这确立了哺乳动物 TMC1/2 作为孔形成机械转导通道的地位。
总之，重组蛋白脂质体方法揭示了脊椎动物 TMC1 和 TMC2 固有的机械敏感性，而异源表达人类 TMC1/2 的证据进一步支持了人类 TMC1/2 是孔形成、机械门控离子通道的观点。这些体外研究结果与先前研究一起，满足了 TMC1/2 被认定为听觉机械感觉分子转导器的必要和基本标准，推动了人们对听觉机械转导机制的理解。
尖端连接通过系链门控或膜张力门控机制将力传递给 TMC1/2
既然 TMC1/2 已被确定为听觉中的机械转导离子通道，该领域的研究重点便转向阐明其门控机制。在毛细胞中，顶端连接将机械力传递给机械转导离子通道，从而激活这些通道。顶端连接由 PCDH15 和 CDH23 组成，它们连接着较低和较高的静纤毛。光漂白结果表明，每个静纤毛尖端的 MET 通道数量在 8 - 20 个之间，这与电生理结果相符，即静纤毛尖端激活的 TMC 蛋白数量多于顶端连接的数量。这些结果表明，TMCl 和 TMC2 蛋白可能通过顶端连接拉伸时的膜变形来检测机械力，而无需与连接结构直接物理接触。
此前有人提出，静纤毛尖端用于听觉机械转导的 MET 通道可由顶端连接或膜张力门控。本文提出了一种综合模型，即系链门控和膜张力门控机制协同作用，有助于毛细胞中机械转导离子通道 TMC1/2 的敏感和动态激活。在初始激活过程中，与顶端连接相连的 TMC1/2 首先通过蛋白质 - 蛋白质相互作用被激活（系链门控模型），这种方式足够敏感，能对最细微的机械刺激做出反应。随着机械刺激增强，膜变形更加明显，未直接与顶端连接结合的 TMC1/2 蛋白会逐渐被顶端连接传递到膜上的力激活（膜张力门控模型）。TMC1/2 蛋白的这种逐步激活是由于机械应力逐渐增加以及变形在膜上的传播。TMC1/2 蛋白的分级激活确保了细胞能够根据刺激强度调整反应，实现感觉输出的精细调节。这种联合激活模型符合听觉转导中高敏感性和对宽范围声音幅度（0 - 100dB，两个极端之间声音幅度相差十万倍）响应的能力。
关于 TMC1/2 激活的膜张力门控模型与近期研究中异源表达的 TMC1/2 在没有 PCDH15 和 LHFPL5 的情况下仍能在体外被激活的发现相符。这引发了一个进一步的问题，即 TMC1/2 的膜张力机械门控是否需要其他辅助亚基的参与，如跨膜内耳蛋白（TMIE）和钙整合素结合蛋白（CIB2）。毛细胞的电生理记录表明，没有 TMIE 时，MET 通道仍能被门控，只是幅度较小。CIB2/3 通过 TMC1/2 的 TM2 - 3 细胞内结构域与 TMC1/2 相互作用，这种结合由一个保守的 CIB 疏水凹槽促进，其结构与 KChIP1 与 Kv4 的结合相似，而 Kv4 在没有 KChIP1 的情况下也是电压门控的。因此，即使没有 CIBs，TMC1/2 也可能具有机械敏感性。类似地，MyoD 家族抑制蛋白作为辅助亚基与 PIEZO1/2 通道结合并影响通道失活，而 PIEZO1/2 在没有这些亚基的情况下也是公认的固有机械敏感离子通道。这些辅助亚基在体内可能对 TMC1/2 转运到静纤毛尖端或调节 MET 电流特性起着关键作用，而不是 TMC1/2 固有机械敏感性所必需的，这与重组到蛋白脂质体中的纯化 TMC1/2 表现出强大的机械敏感性一致。在 TMIE 和 CIB2 基因敲除的情况下，TMC1/2 无法定位在毛束中，这支持了 TMIE 和 CIB2 在 TMC1/2 转运中的作用，而不是其固有机械敏感性所必需的。
对人类 TMC1 在脂质膜环境中的分子模拟提出了膜张力门控机制中的两种激活状态：初始张力触发中间状态，此时 TM4/TM6 伸直使孔变宽，重新定向的脂质头部基团暂时阻塞渗透途径；在更高的张力下，TM4/TM6 进一步分离，阻塞的脂质横向移动，形成由脂质头部基团排列的亲水性腔，使离子能够在传导状态下通过。TMC1 这种假定的蛋白脂质渗透途径与最近公布的 OSCA 通道开放状态模型相符，OSCA 通道与 TMC1/2 在结构上属于同一超家族。
结论与讨论
关于听觉机械转导的分子机制存在多种观点，众多候选蛋白被提出。其中，TMC1 和 TMC2 作为响应听觉刺激的机械传感器脱颖而出，它们满足作为主要听觉转导器的所有标准：TMC1 缺陷会导致听力损失表型；TMC1/2 在毛细胞静纤毛尖端表达，这是听觉机械转导发生的部位；TMC1/2 是毛细胞机械转导电流所必需的；异源表达显示它们是机械门控离子通道。
TMC1/2 在静纤毛尖端的听觉机械转导潜在模型表明，系链门控和膜张力门控模型共同发挥作用。最初，与顶端连接相连的 TMC1/2 通过蛋白质 - 蛋白质相互作用被激活（系链门控模型），对细微刺激做出反应。随着刺激增强和膜变形增加，静纤毛尖端未与顶端连接相连的其他 TMC1/2 蛋白逐渐被激活（膜张力门控模型）。这种分级激活使毛细胞能够在听觉转导中对宽范围的声音幅度做出响应。
对 TMC1 和 TMC2 门控机制的进一步研究将深入揭示听觉机械转导的分子基础。未来研究需要确定 TMC1/2 与 PCDH15 之间的相互作用界面，以探索力如何通过与顶端连接的蛋白质相互作用施加到哺乳动物 TMC1/2 上。了解 TMC1/2 的离子渗透途径和膜张力门控，需要确定其孔形成区域和机械敏感性所需的结构域，并阐明 CIB2/3 和 TMIE 等辅助亚基的调节作用。近期膜靶向 TMC1/2 异源表达的进展将有助于通过电生理筛选确定 TMC 蛋白中的离子渗透途径和机械敏感结构域，也可在体外重建系链门控过程，精确研究顶端连接蛋白传递的力如何导致 MET 通道孔开放。此外，TMC1/2 的蛋白脂质体重组可用于研究脂质相互作用如何影响 TMC1/2 通道的机械敏感特性。PCDH15/LHFPL5 复合物和 TMC1/2 复合物的冷冻电镜结构为未来系链门控研究奠定了结构基础。OSCA 通道门控循环的突破为 TMC 蛋白家族研究带来了重要的机制启示，OSCA/TMEM63 蛋白家族与 TMC 家族在结构上属于同一超家族，OSCA 通道开放状态突出了结合脂质在通道门控中的作用以及脂质作为离子渗透途径壁的作用，为研究 TMC1/2 的膜门控提供了可能的工作模型。此前研究表明机械敏感离子通道 NOMPC 通过系链机制门控，秀丽隐杆线虫中 UNC - 44 / 锚蛋白是 TMC1 机械转导的重要组成部分，而力是否可能从细胞内侧传递到 TMC1/2 以及毛细胞静纤毛中这种细胞内系链的分子身份仍有待进一步研究。
确定 TMC1/2 的机械敏感性促使人们进一步研究 TMC 蛋白家族的其他成员（TMC3 - 8）。TMC 家族的所有八个成员都成为了一个有影响力的研究领域。例如，表达 TMC3 的肺神经在呼吸周期中可诱导支气管收缩和扩张；TMC6 或 TMC8 的纯合突变与疣状表皮发育不良（EV）相关，这是一种严重的遗传性皮肤病，约一半病例会进展为皮肤癌；TMC7 突变的小鼠表现出雄性不育和精子发生的显著缺陷。TMC3 - 8 蛋白相关的多样表型凸显了它们的关键生理功能，而这些功能与 TMC 蛋白机械敏感性之间的关系需要深入研究。TMC 蛋白家族机械敏感性的进化路径表明，TMC 蛋白可能在生命早期就开始作为机械门控通道进化，在秀丽隐杆线虫、果蝇甚至单细胞生物等低等无脊椎动物中都有 TMC 蛋白存在的证据。例如，秀丽隐杆线虫的 TMC - 1 参与轻触敏感性，果蝇的 TMC 参与运动和食物质地检测。这些发现表明 TMC 蛋白在不同物种的机械感觉中发挥作用，TMC 蛋白家族在进化过程中何时以及如何获得机械敏感性，以及这种机械敏感性在动物界（包括脊椎动物和无脊椎动物）中是否保守以及如何保守，都需要进一步探索。
