Roles of SHANK2 in the establishment of stereociliary bundle architecture and auditory function

Abstract

포유류의 청각 기관은 효과적인 소리 전달을 위해 유모세포(hair cell) 표면의 부동섬모(Stereocilia) 다발의 정밀한 구조에 의존한다. 각 부동섬모 다발은 약 100개의 액틴(Actin)으로 채워진 부동섬모로 구성되어 있으며 3열 계단 패턴으로 배열되어 있고, 내유모세포(inner hair cell)에서는 넓은 U자 모양을, 외유모세포(outer hair cell)에서는 V자 모양을 형성하고 있다. 이 부동섬모 다발의 꼭지점은 달팽이관의 외측을 따라 일정하게 배열된다. 초기 발달 단계에서 고르게 분포되어 있던 미세융모(microvilli)들이 이렇게 독특한 부동섬모 다발 구조로 발달하는 것은 Gαi와 GPSM2와 같이 외측(lateral) 표면에 있는 단백질들에 의해 제어되는 미세소관(microtubule) 기반 kinocilium의 외측으로의 이동에 의해 조절된다. 이러한 외측 단백질들의 역할은 이미 연구가 잘 되어 있지만 내측에서 부동섬모의 형태를 결정하는 기전에 대해서는 아직 연구가 되어 있지 않다. 본 논문에서는 시냅스(synapse) 기능 및 자폐 스펙트럼 장애(autism spectrum disorder)와 관련된 단백질인 SHANK2가 유모세포의 내측(medial) 표면에서 U자형 또는 V자형 부동섬모 다발 구조를 형성하는데 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다. 유모세포 표면에서의 SHANK2 위치는 외측 표면 단백질인 Gαi와 GPSM2나 내측 표면 단백질인 aPKCζ와 PARD6B와는 독립적으로 저분자량 GTP가수분해효소(small GTPase) 중 하나인 RAP1에 의해 조절된다. Shank2 결손 마우스에서 달팽이관 유모세포는 전형적인 U자형 또는 V자형의 다발 구조를 잃고 단편화(fragmentation) 되거나 물결(Wavy) 형태의 다발을 가지는데 이때 kinocilium의 위치와 계단식 패턴, 필수적인 부동섬모 간의 연결과 같은 다른 중요한 특성에는 영향을 주지 않는다. Tonotopic 축 전반에 걸친 광범위한 부동섬모 다발의 형태적 결함에도 불구하고 주로 고주파에서만 특이적으로 청력 손실이 관찰되며, 이는 외유모세포의 증폭 기능 손상에 의한 것으로 나타난다. 긴 시간에 걸친 추적 연구는 독특한 부동섬모 다발의 형태가 부동섬모 및 청각 기능의 장기적인 유지에 필수적임을 시사한다.

Effective sound transduction in mammals depends on the precise organization of the hair cell stereociliary bundle. Each bundle comprises around 100 actin-filled stereocilia arranged in a three-row staircase pattern. In inner hair cells, this arrangement forms a broad U-shape, whereas in outer hair cells, it takes on a characteristic V-shape—an architectural feature unique to the mammalian cochlea. The vertices of these bundles are uniformly oriented laterally along the cochlear duct. Developmental transition from evenly distributed microvilli to this unique bundle architecture is guided by the lateral movement of the microtubule-based kinocilium, which is controlled by proteins on the lateral surface, such as Gαi and GPSM2. While the role of these lateral proteins is well established, the mechanisms on the medial side remain unclear. Our study identified SHANK2, a protein associated with synaptic function and autism spectrum disorders, as a critical player in establishing the U- or V-shaped bundle architecture on the medial surface. SHANK2 localization is regulated by the small GTPase RAP1, independently of lateral proteins such as Gαi and GPSM2 or medial proteins such as aPKCζ and PARD6B. In Shank2-deficient mice, hair cells lose their typical U- or V-shaped bundle architecture, exhibiting a fragmented or wavy appearance without affecting other critical features such as kinocilium position, staircase pattern, and essential stereociliary links. Despite widespread bundle defects across the tonotopic axis, auditory function is specifically impaired at high frequencies, primarily due to compromised OHC amplifier function. Longitudinal studies further suggest that this unique architecture is essential for the long-term maintenance of bundle integrity and auditory function.