单细胞水平的心肌细胞成熟机制探索
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发布时间：5小时前
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时间：2024-09-30 11:32
一项发表在Nature Communications的文章采用大颗粒式分选（LP–FACS）方法分离小鼠心肌细胞，并通过单细胞转录组测序（scRNA-seq）探索了心肌细胞的成熟机制。研究发现，早期心肌细胞表现出转录组和大小异质性，且该异质性伴随着转录组转移一直持续到成年期。此外，研究还发现PGC1/PPAR是心肌细胞成熟的关键调节因子。
研究显示，新生的心肌细胞在成熟期间表现出高水平的转录组异质性。通过UMAP聚类分析，研究将单细胞测序数据进行分析，结果显示每个阶段的大部分细胞与其他阶段存在相同的转录组谱，同时也存在异质性。根据拟时序分析的伪时间方向绘制相关成熟基因表达谱，发现成熟的心肌细胞中已知基因（包括MYH6、Tnni3、Myom28）的表达水平升高，与钙处理基因和离子通道（包括RyR2、Atp2a2、Casq1）相关基因也持续上调，表明与肌肉收缩和细胞代谢相关的基因受到高度*。
为了深入了解出生后心肌细胞成熟的上游*机制，研究通过基因网络*分析，发现两个PGC1亚型（PGC1α/β，转录辅助因子）可以影响心肌细胞成熟过程中的整体基因表达。进一步分析发现，辅助因子和核受体的表达从胚胎阶段到成年阶段逐渐增加，出生后上调更为明显。在长期培养的PSC心肌细胞中的大多数基因中也观察到增加的表达模式，但PGC1/PPARα水平始终保持在较低水平。表明PGC1/PPARα在PSC心肌细胞中被错误调节，这可能是培养心肌细胞成熟停滞的原因。
研究发现，PGC1是出生后心肌细胞生长和收缩力发育所需的细胞生长因子。构建小鼠敲除模型（cmKO小鼠，PGC1α/β缺失）验证了这一观点。通过RFP表达识别新生的心肌细胞，发现RFP+肌细胞比邻近肌细胞小，且RFP-心肌细胞随着时间的推移显示出异质性并逐渐增大，表明心肌细胞在增大的过程中需要PGC1。进一步测试发现，缺乏PGC1会影响心肌细胞的收缩功能，揭示了PGC1是出生后心肌细胞生长和收缩力发育所需的细胞生长因子。
研究还发现，PGC1调节影响心肌细胞的大小、钙处理和线粒体活性。从P7-P28心脏中分离出RFP+ (PGC1 cmKO)细胞进行scRNA-seq测序。与对照相比，在P7处无异质性，但在整个阶段中表现较低的成熟度，与收缩性及细胞大小无增加是一致的。研究通过对单个基因的表达进行对比分析，发现，在PGC1缺陷型心肌细胞中与成熟相关的基因*网络被严重破坏，PGC1 cmKO细胞的肌纤维/细胞发育和线粒体/电子传递链过程明显受损。
研究进一步分析了增加PGC1是否可以促进PSC心肌细胞的成熟。增加PGC1后，转染GFP+心肌细胞明显大于GFP –心肌细胞。在使用WY14643（PPARα配体，可激活PPARα）处理PSC心肌细胞后，与对照相比，WY14643处理的PSC心肌细胞显著增加了细胞大小，同时伴随线粒体密度和呼吸的显著增加以及糖酵解的减少，表明PGC1/PPARα在PSC心肌细胞的细胞肥大和收缩性发展中具有指导作用。
研究还发现，PGC1/PPARα信号分别通过YAP1和SF3B2促进心肌细胞的肥大和收缩。为识别PGC1/PPARα信号传导的关键介质，研究选择了p7 PGC1 cmKO心肌细胞中显著下调的基因，并采用PPARα特异性配体处理的PSC心肌细胞进行功能测定。发现，当靶向编码SF3B2/SAP18和TIMM50的基因时，PPARα信号传导缩短CTD的能力显著受损。SF3B2敲除对CTD的影响最为显著，表明SF3B2是PGC1/PPARα信号传导的关键介质。
本研究通过大颗粒流式分选获得心肌细胞，从单细胞水平上研究了新生心肌细胞到成熟心肌细胞的*机制。研究者不仅发现心肌细胞在不同的阶段大小和转录组存在异质性，还发现PGC1/PPAR通过YAP1和SF3B2驱动心肌细胞成熟，为深入研究基因*网络和控制心脏成熟提供了理论基础。
