The members of the Sp1 transcription factor family can act as both negative and positive regulators of gene expression. Here we show that Sp1 can be a target for histone deacetylase 1 (HDAC1)-mediated transcriptional repression. The histone deacetylase inhibitor trichostatin A activates the chromosomally integrated murine thymidine kinase promoter in an Sp1-dependent manner. Coimmunoprecipitation experiments with Swiss 3T3 fibroblasts and 293 cells demonstrate that Sp1 and HDAC1 can be part of the same complex. The interaction between Sp1 and HDAC1 is direct and requires the carboxy-terminal domain of Sp1. Previously we have shown that the C terminus of Sp1 is necessary for the interaction with the transcription factor E2F1 (J. Karlseder, H. Rotheneder, and E. Wintersberger, Mol. Cell. Biol. 16:1659–1667, 1996). Coexpression of E2F1 interferes with HDAC1 binding to Sp1 and abolishes Sp1-mediated transcriptional repression. Our results indicate that one component of Sp1-dependent gene regulation involves competition between the transcriptional repressor HDAC1 and the transactivating factor E2F1.

The signals that induce the organ of Corti and define its boundaries in the cochlea are poorly understood. We show that two Notch modifiers, Lfng and Mfng, are transiently expressed precisely at the neural boundary of the organ of Corti. Cre-Lox fate mapping shows this region gives rise to inner hair cells and their associated inner phalangeal cells. Mutation of Lfng and Mfng disrupts this boundary, producing unexpected duplications of inner hair cells and inner phalangeal cells. This phenotype is mimicked by other mouse mutants or pharmacological treatments that lower but not abolish Notch signaling. However, strong disruption of Notch signaling causes a very different result, generating many ectopic hair cells at the expense of inner phalangeal cells. Our results show that Notch signaling is finely calibrated in the cochlea to produce precisely tuned levels of signaling that first set the boundary of the organ of Corti and later regulate hair cell development.

ABSTRACT During cochlear development, the Notch ligand JAGGED 1 (JAG1) plays an important role in the specification of the prosensory region, which gives rise to sound-sensing hair cells and neighboring supporting cells (SCs). While JAG1’s expression is maintained in SCs through adulthood, the function of JAG1 in SC development is unknown. Here, we demonstrate that JAG1 is essential for the formation and maintenance of Hensen cells (HeCs), a highly specialized SC-subtype located at the edge of the auditory epithelium. Deletion of Jag1 at the onset of differentiation, at stage E14.5, disrupted HeC formation. Similar loss of HeCs was observed when Jag1 was deleted at P0/P1 and fate-mapping analysis revealed that in the absence of Jag1 some HeCs die, but others convert into neighboring Claudius cells. In support of a role for JAG1 in cell survival, genes involved in mitochondrial function and protein synthesis were downregulated in P0 cochlea lacking Jag1 .

Cochlear hair cell loss is a leading cause of deafness in humans. Neighboring supporting cells have some capacity to regenerate hair cells. However, their regenerative potential sharply declines as supporting cells undergo maturation (postnatal day 5 in mice). We recently reported that reactivation of the RNA-binding protein LIN28B restores the hair cell-regenerative potential of P5 cochlear supporting cells. Here, we identify the LIN28B target Trim71 as a novel and equally potent enhancer of supporting cell plasticity. TRIM71 is a critical regulator of stem cell behavior and cell reprogramming, however, its role in cell regeneration is poorly understood. Employing an organoid-based assay, we show that TRIM71 reactivation increases the mitotic and hair cell-forming potential of P5 cochlear supporting cells by facilitating their de-differentiation into progenitor-like cells. Our mechanistic work indicates that TRIM71’s RNA-binding activity is essential for such ability, and our transcriptomic analysis identifies gene modules that are linked to TRIM71 and LIN28B-mediated supporting cell reprogramming. Furthermore, our study uncovers that the TRIM71-LIN28B target Hmga2 is essential for supporting cell self-renewal and hair cell formation.

The mammalian auditory sensory epithelium has one of the most stereotyped cellular patterns known in vertebrates. Mechano-sensory hair cells are arranged in precise rows, with one row of inner and three rows of outer hair cells spanning the length of the spiral-shaped sensory epithelium. Aiding such precise cellular patterning, differentiation of the auditory sensory epithelium is precisely timed and follows a steep longitudinal gradient. The molecular signals that promote auditory sensory differentiation and instruct its graded pattern are largely unknown. Here, we identify Activin A as an activator of hair cell differentiation and show, using mouse genetic approaches, that a local gradient of Activin A signaling within the auditory sensory epithelium times the longitudinal gradient of hair cell differentiation. Furthermore, we provide evidence that Activin-type signaling regulates a radial gradient of terminal mitosis within the auditory sensory epithelium, which constitutes a novel mechanism for limiting the number of inner hair cells being produced.

The evolutionary conserved lethal-7 (let-7) family of microRNAs (miRNAs) is a well-known activator of terminal mitosis and differentiation. Surprisingly, we previously found that overexpression of let-7 miRNAs in the murine auditory organ accelerated the terminal mitosis of auditory sensory progenitors (pro-sensory cells) but failed to stimulate their differentiation into mechano-sensory hair cells (HCs). To further address the role of let-7 miRNAs in auditory sensory differentiation, we conducted gain and loss of function experiments in the developing chicken auditory organ, the basilar papilla (BP). Using a sponge approach, we show that the disruption of let-7 miRNA function in the developing BP delays pro-sensory cell exit and delays differentiation of auditory HCs, revealing that endogenous let-7 miRNAs limit pro-sensory cell self-renewal in the developing BP. However, consistent with the role of let-7 miRNAs in the murine auditory organ, let-7b overexpression in the developing BP delayed HC differentiation, suggesting that too low or too high let-7 miRNA levels disrupt HC differentiation. Furthermore, we provide evidence that the repressive role of let-7 miRNAs in HC differentiation may be due to its targeting of the chromatin remodeler CHD7. Mutation in the human CHD7 gene causes CHARGE syndrome, which amongst others is characterized by inner ear and hearing deficits. Using target prediction algorithms, we uncovered a highly predictive and evolutionary conserved let-7 binding site within the Chd7 transcript. Consistent with being a target of let-7 repression, we demonstrate that let-7b overexpression significantly reduced CHD7 protein expression in to the developing BP. Furthermore, utilizing an inducible let-7g transgenic mouse model, we show that let-7 miRNAs negatively regulate CHD7 protein expression in developing murine cochlear, retinal and brain tissue. CHD7 is dosage dependent and the here described regulation by let-7 miRNAs may be critical to fine tune CHD7 protein levels during sensory and neuronal development.

ABSTRACT Mechano-sensory hair cells within the inner ear cochlea are essential for the detection of sound. In mammals, cochlear hair cells are only produced during development and their loss, due to disease or trauma, is a leading cause of deafness. In the immature cochlea, prior to the onset of hearing, hair cell loss stimulates neighboring supporting cells to act as hair cell progenitors and produce new hair cells. However, for reasons unknown, such regenerative capacity (plasticity) is lost once supporting cells undergo maturation. Here, we demonstrate that the RNA binding protein LIN28B plays an important role in the production of hair cells by supporting cells and provide evidence that the developmental drop in supporting cell plasticity in the mammalian cochlea is, at least in part, a product of declining LIN28B-mTOR activity. Employing murine cochlear organoid and explant cultures to model mitotic and non-mitotic mechanisms of hair cell generation, we show that loss of Lin28b function, due to its conditional deletion, or due to overexpression of the antagonistic miRNA let-7g , suppressed Akt-mTORC1 activity and renders young, immature supporting cells incapable of generating hair cells. Conversely, we found that LIN28B overexpression increased Akt-mTORC1 activity and allowed supporting cells that were undergoing maturation to de-differentiate into progenitor-like cells and to produce hair cells via mitotic and non-mitotic mechanisms. Finally, using the mTORC1 inhibitor rapamycin, we demonstrate that LIN28B promotes supporting cell plasticity in an mTORC1-dependent manner. SIGNIFICANCE STATEMENT Cochlear hair cell loss is a leading cause of deafness in humans and other mammals. In the immature cochlea lost hair cells are regenerated by neighboring glia-like supporting cells. However, for reasons unknown, such regenerative capacity is rapidly lost as supporting cells undergo maturation. Here we identify a direct link between LIN28B-mTOR activity and supporting cell plasticity. Mimicking later developmental stages, we found that loss of the RNA binding protein LIN28B attenuated mTOR signaling and rendered young, immature supporting cells incapable of producing hair cells. Conversely, we found that re-expression of LIN28B reinstated the ability of maturing supporting cells to revert to a progenitor-like state and generate hair cells via activation of mTOR signaling.