從干細胞到功能性心臟，揭示 Mesp1 基因發(fā)揮的關(guān)鍵作用

在一項新的研究中，來自比利時布魯塞爾自由大學和英國劍橋大學的研究人員鑒定出關(guān)鍵基因Mesp1在心血管細胞譜系分離（cardiovascular lineage segregation）的最早階段發(fā)揮的作用。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于更好地理解先天性心臟缺陷。相關(guān)研究結(jié)果于2018年1月25日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標題為“Defining the earliest step of cardiovascular lineage segregation by single-cell RNA-seq”。

心臟是發(fā)育過程中形成的**個器官，包含四個區(qū)域（心室和心房），這些區(qū)域含有執(zhí)行特殊功能的細胞：跳動的心肌細胞確保泵血活性；血管細胞形成血管內(nèi)壁；起搏細胞（pacemaker cell）調(diào)節(jié)著心跳。除非心臟祖細胞（heart progenitor cell）在正確的時間產(chǎn)生、遷移到正確的位置并分化成正確的細胞類型，不然嚴重的心臟畸形就會產(chǎn)生。在人類患者中，這些心臟畸形被認為是先天性心臟病，也是新生兒出現(xiàn)嚴重出生缺陷的最常見原因。之前的研究已表明多種心臟祖細胞是由不同的表達Mesp1基因的細胞群體產(chǎn)生的。然而，人們?nèi)圆磺宄绾卧诜肿铀缴蠀^(qū)分這些不同的心臟祖細胞，以及哪些分子機制促進特定心臟區(qū)域或者說心臟細胞譜系（cardiac lineage）產(chǎn)生。

在這項新的研究中，由布魯塞爾自由大學干細胞與癌癥實驗室的Cédric Blanpain教授和劍橋大學的Berthold G?ttgens教授領(lǐng)導的一個研究團隊利用單細胞分子譜（single cell molecular profiling）和譜系追蹤（lineage tracking）技術(shù)鑒定出Mesp1在心血管細胞譜系分離的最早階段發(fā)揮的作用。

Fabienne Lescroart及其同事們在胚胎發(fā)育的不同階段分離出表達Mesp1的細胞，并對這些早期的心臟祖細胞進行單細胞轉(zhuǎn)錄組分析，以便鑒出定與心臟祖細胞的區(qū)域和細胞類型身份相關(guān)的分子特征。他們證實不同的心臟祖細胞群體具有截然不同的分子特征。

為了確定轉(zhuǎn)錄因子Mesp1在調(diào)節(jié)心血管分化程序和早期心血管祖細胞的異質(zhì)性中發(fā)揮的作用，他們也在Mesp1缺乏的情況下對這些早期的祖細胞進行單細胞分子譜分析。這些實驗表明Mesp1是退出多能性狀態(tài)和激活心血管基因表達程序所必需的。

通過開展生物信息學分析，這些研究人員鑒定出在這些早期的表達Mesp1的心血管祖細胞中，不同的細胞群體對應(yīng)于定向產(chǎn)生不同的心臟細胞譜系和心臟區(qū)域，并且鑒定出與早期的心臟細胞譜系限制（lineage restriction）和心臟區(qū)域分離（regional segregation）相關(guān)的分子特征。雖然心血管祖細胞尚未分化，但是這些新的分析結(jié)果表明它們已“做好準備”或受到預先指定產(chǎn)生心肌細胞或血管細胞。這些研究人員發(fā)現(xiàn)在這個早期的發(fā)育階段，這些不同的細胞人群也是在不同的時間點產(chǎn)生的，并且存在于特定的位點。最后，這些研究人員鑒定出心臟細胞譜系和血管細胞譜系之間的最早分支點，并且證實在早期的胚胎發(fā)育期間，Notch1是定向產(chǎn)生血管細胞譜系的早期祖細胞的標志物。

理解與早期的心血管細胞譜系定向分化和心臟區(qū)域相關(guān)的分子特征對設(shè)計指導心血管祖細胞獲得來自不同心臟區(qū)域的心臟細胞身份或血管細胞身份的新策略將是至關(guān)重要的，所獲得的細胞可用于治療心臟疾病。Cédric Blanpain教授評論道，“未來的研究將需要確定這項研究鑒定出的早期細胞譜系分離模式是否控制不同器官和組織中的不同細胞譜系形成。同樣重要的是，確定這項研究揭示出的分子特征是否在先天性心臟畸形中起作用，而且是否也能夠被用來促進心血管祖細胞分化為特定的細胞譜系，而這可能對改善用于心臟修復的細胞療法產(chǎn)生重要的意義。”

Bertie Gottgens教授聲稱，“我們的新發(fā)現(xiàn)非常依賴于近期的技術(shù)創(chuàng)新，這些技術(shù)創(chuàng)新允許我們確定單個細胞的基因活性譜。我們不僅能夠研究之前不可能研究的微量細胞群體，而且我們也能夠使用計算機根據(jù)單個細胞的基因活性譜將它們分成不同的細胞亞群或細胞類型。正如Blanpain指出的那樣，從這些新發(fā)現(xiàn)的基因活性譜中，我們能夠發(fā)現(xiàn)新的候選心臟基因，這些基因可能被用來開發(fā)用于心臟修復的新型療法。”