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

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)和英國(guó)劍橋大學(xué)的研究人員鑒定出關(guān)鍵基因Mesp1在心血管細(xì)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(biāo)題為“Defining the earliest step of cardiovascular lineage segregation by single-cell RNA-seq”。

心臟是發(fā)育過(guò)程中形成的**個(gè)器官，包含四個(gè)區(qū)域（心室和心房），這些區(qū)域含有執(zhí)行特殊功能的細(xì)胞：跳動(dòng)的心肌細(xì)胞確保泵血活性；血管細(xì)胞形成血管內(nèi)壁；起搏細(xì)胞（pacemaker cell）調(diào)節(jié)著心跳。除非心臟祖細(xì)胞（heart progenitor cell）在正確的時(shí)間產(chǎn)生、遷移到正確的位置并分化成正確的細(xì)胞類型，不然嚴(yán)重的心臟畸形就會(huì)產(chǎn)生。在人類患者中，這些心臟畸形被認(rèn)為是先天性心臟病，也是新生兒出現(xiàn)嚴(yán)重出生缺陷的最常見(jiàn)原因。之前的研究已表明多種心臟祖細(xì)胞是由不同的表達(dá)Mesp1基因的細(xì)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(xì)胞，以及哪些分子機(jī)制促進(jìn)特定心臟區(qū)域或者說(shuō)心臟細(xì)胞譜系（cardiac lineage）產(chǎn)生。

在這項(xiàng)新的研究中，由布魯塞爾自由大學(xué)干細(xì)胞與癌癥實(shí)驗(yàn)室的Cédric Blanpain教授和劍橋大學(xué)的Berthold G?ttgens教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用單細(xì)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(xì)胞譜系分離的最早階段發(fā)揮的作用。

Fabienne Lescroart及其同事們?cè)谂咛グl(fā)育的不同階段分離出表達(dá)Mesp1的細(xì)胞，并對(duì)這些早期的心臟祖細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，以便鑒出定與心臟祖細(xì)胞的區(qū)域和細(xì)胞類型身份相關(guān)的分子特征。他們證實(shí)不同的心臟祖細(xì)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(xì)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(duì)這些早期的祖細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞分子譜分析。這些實(shí)驗(yàn)表明Mesp1是退出多能性狀態(tài)和激活心血管基因表達(dá)程序所必需的。

通過(guò)開(kāi)展生物信息學(xué)分析，這些研究人員鑒定出在這些早期的表達(dá)Mesp1的心血管祖細(xì)胞中，不同的細(xì)胞群體對(duì)應(yīng)于定向產(chǎn)生不同的心臟細(xì)胞譜系和心臟區(qū)域，并且鑒定出與早期的心臟細(xì)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(xì)胞尚未分化，但是這些新的分析結(jié)果表明它們已“做好準(zhǔn)備”或受到預(yù)先指定產(chǎn)生心肌細(xì)胞或血管細(xì)胞。這些研究人員發(fā)現(xiàn)在這個(gè)早期的發(fā)育階段，這些不同的細(xì)胞人群也是在不同的時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的，并且存在于特定的位點(diǎn)。最后，這些研究人員鑒定出心臟細(xì)胞譜系和血管細(xì)胞譜系之間的最早分支點(diǎn)，并且證實(shí)在早期的胚胎發(fā)育期間，Notch1是定向產(chǎn)生血管細(xì)胞譜系的早期祖細(xì)胞的標(biāo)志物。

理解與早期的心血管細(xì)胞譜系定向分化和心臟區(qū)域相關(guān)的分子特征對(duì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)心血管祖細(xì)胞獲得來(lái)自不同心臟區(qū)域的心臟細(xì)胞身份或血管細(xì)胞身份的新策略將是至關(guān)重要的，所獲得的細(xì)胞可用于治療心臟疾病。Cédric Blanpain教授評(píng)論道，“未來(lái)的研究將需要確定這項(xiàng)研究鑒定出的早期細(xì)胞譜系分離模式是否控制不同器官和組織中的不同細(xì)胞譜系形成。同樣重要的是，確定這項(xiàng)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(lái)促進(jìn)心血管祖細(xì)胞分化為特定的細(xì)胞譜系，而這可能對(duì)改善用于心臟修復(fù)的細(xì)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(gè)細(xì)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(xì)胞群體，而且我們也能夠使用計(jì)算機(jī)根據(jù)單個(gè)細(xì)胞的基因活性譜將它們分成不同的細(xì)胞亞群或細(xì)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(lái)開(kāi)發(fā)用于心臟修復(fù)的新型療法。”