生育一個(gè)健康的寶寶，是準(zhǔn)父母的最大心愿。不過，大約5%的新生兒存在出生缺陷，其中先天性心臟畸形最為常見。為了弄清楚出生缺陷是如何產(chǎn)生的，美國Gladstone心血管病研究所的研究人員建立了小鼠心臟發(fā)育過程中的基因表達(dá)目錄。

研究人員利用單細(xì)胞RNA測序?qū)π∈笮呐K發(fā)育過程中近40,000個(gè)心臟前體細(xì)胞進(jìn)行深入分析。他們發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子Hand2在決定細(xì)胞命運(yùn)方面起著關(guān)鍵作用，其缺失會破壞心臟發(fā)育。這項(xiàng)成果于本周發(fā)表在《Nature》雜志上。

通訊作者之一、Gladstone心血管病研究所的Casey Gifford表示：“這種測序技術(shù)讓我們能夠觀察到心臟發(fā)育不同階段存在的各類細(xì)胞，并幫助我們確定在此過程中哪些基因被激活，而哪些基因被抑制?！?/p>

先天性心臟缺陷是最常見的出生缺陷，往往由部分心臟祖細(xì)胞的破壞所引起，但個(gè)別祖細(xì)胞的哪些轉(zhuǎn)錄變化會導(dǎo)致器官缺陷，目前仍然未知。于是，研究人員選擇了三個(gè)不同的發(fā)育時(shí)間點(diǎn)，對小鼠胚胎中心臟發(fā)生區(qū)域的36,000個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行測序。

根據(jù)轉(zhuǎn)錄組的特征，這些細(xì)胞可分為七個(gè)群體，代表不同的細(xì)胞類型。這些群體可以進(jìn)一步分為不同的祖細(xì)胞群?？傊鼈儺a(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)代表了心室、心房、靜脈竇、房室管和流出道心肌細(xì)胞。通過這份目錄，研究人員能夠更深入地研究這些心臟祖細(xì)胞的作用。

研究人員利用Boolean預(yù)測方法來尋找那些決定心臟祖細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控分子。該方法確定Irx4和Plag1是右心室心肌細(xì)胞的特異性分子，而Hand2、Tead2和Arid3b作為流出道心肌細(xì)胞命運(yùn)的決定性因素。

他們指出，盡管Hand2的缺失導(dǎo)致小鼠體內(nèi)無法正常形成右心室，但他們預(yù)測Hand2是流出道心肌的譜系特異性分子，而不是右心室心肌的特異性分子。第一作者Yvanka De Soysa表示：“根據(jù)之前的研究結(jié)果，這似乎說不通。不過我們的確發(fā)現(xiàn)，Hand2對不同類型的細(xì)胞有著不同的功能?！?/p>

在兩個(gè)發(fā)育時(shí)間點(diǎn)，研究人員比較了野生型和Hand2-null心臟祖細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組。他們發(fā)現(xiàn)，對于Hand2-null細(xì)胞，前心區(qū)、流出道和右心室前體細(xì)胞在發(fā)育早期出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄失調(diào)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于任何形態(tài)學(xué)特征的出現(xiàn)。

不過，他們還發(fā)現(xiàn)盡管Hand2-null的流出道細(xì)胞沒有正確定型，但右心室細(xì)胞卻能夠正確定型。不過，在此之后，右心室細(xì)胞沒有正確分化和遷移，它們聚集在心臟后面的咽中胚層，而不是心臟流出道。

Gifford認(rèn)為：“單細(xì)胞測序技術(shù)可以告訴我們器官是如何形成的，以及遺傳變異造成疾病的根本原因。我們發(fā)現(xiàn)，一小撮細(xì)胞的微妙差異卻造成了災(zāi)難性的后果，而過去往往忽視這一點(diǎn)。這是邁向新療法的第一步?！保?/p>

原文檢索

Single-cell analysis of cardiogenesis reveals basis for organ-level developmental defects

Nature (2019) | Published: 24 July 2019