心臟是哺乳動物胚胎發(fā)育過程中形成的第一個功能器官，由四個腔室組成。生命從早期胚胎形成到成體的每一刻都需要心臟不間斷地發(fā)揮作用。近年來，與心臟相關的疾病已經成為危害人類健康的重要原因。心臟發(fā)育及心臟疾病相關的研究迫在眉睫，而各種高通量測序技術的出現為心臟有關的研究帶來了新的曙光。以往的研究大多報道單組學的心臟圖譜，對哺乳動物心臟多組學之間的互作及調控仍然知之甚少。

論文截圖

2021年5月18日，北京大學未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）、生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學學院文路副研究員與中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院宋雷主任醫(yī)師、王繼征研究員合作，在PLOS Biology雜志發(fā)表了題為“Integrated transcriptomics and epigenomics reveal chamber-specific and species-specific characteristics of human and mouse hearts”的研究論文。該研究對11例成年人健康心臟樣本、3例人類胚胎健康心臟樣本、3組小鼠健康心臟樣本的四腔室進行核小體占位和甲基化組測序（Nucleosome occupancy and methylome sequencing，NOMe-seq）及轉錄組測序，首次整合分析了人類和小鼠健康心臟四腔室的轉錄組、甲基化組和染色質狀態(tài)組（圖1），為深入理解心臟多組學腔室特異性及物種特異性生物學特征提供了新的視角。

圖1 實驗取樣及流程示意圖

該研究發(fā)現，成年人心臟心房與心室的轉錄組及DNA甲基化組均存在明顯差別，鑒定得到了一系列分別在心房和心室中高表達的差異表達基因，以及多個在心房與心室間基因體DNA甲基化呈現顯著差異的重要基因（圖2A）。在染色質可及性層面，成年人心臟的心房和心室間沒有發(fā)現全局水平的區(qū)別。在對人類胚胎心臟和成年人心臟做比較時，研究人員發(fā)現，在轉錄組及DNA甲基化組水平上，二者呈現明顯的腔室特異性和發(fā)育階段特異性（圖2B），染色質可及性水平也存在發(fā)育階段特異性。在人類心臟中鑒定得到的176個新的長非編碼RNA（lncRNA）在胚胎及成體或心臟四腔室間表達水平不同（圖2C）；房顫、肥厚型心肌病和先天性心臟病相關的基因也在人類胚胎和成年人心臟中呈現不同的時空表達模式。這表明心臟在多種組學層面上通過精確的時空表達和調控實現生理穩(wěn)態(tài)。

圖2 成年人心房與心室間基因體DNA甲基化呈現顯著差異的重要基因（A）；人類心臟四腔室基于甲基化組（B）和新lncRNA（C）的分類圖

小鼠是研究心臟發(fā)育和心臟疾病最廣泛使用的模式動物。雖然人類和小鼠心臟解剖學結構類似，但是心臟大小和電生理特點存在明顯區(qū)別，早先的研究報道人類和小鼠的心臟對一些心血管藥物響應不同，所以系統(tǒng)比較人類和小鼠心臟各種組學層面的異同點、進行跨物種分析十分必要。該研究發(fā)現，人類和小鼠心臟共享一些重要的心房與心室間的差異表達基因（圖3）。小鼠心臟的甲基化組也和人類心臟類似，存在明顯的腔室特異性。Myl2和Myl3的基因體在小鼠和人類心臟中都呈現心房中甲基化水平更高的現象。轉錄因子結合基序的富集分析也表明，人鼠間共享一些關鍵的轉錄因子，這些轉錄因子組成了人鼠間心臟保守的調控網絡。在此基礎上，各物種也有自己特異性激活的轉錄因子。

圖3 人鼠共享的心房心室間差異基因（A）和物種特異差異基因對應的基因功能富集分析（B）

此外，該研究也對心臟中染色質可及性、甲基化組和轉錄組之間的關系進行了初步的探討。研究發(fā)現，與早先的報道類似，人類胚胎及成年人心臟啟動子區(qū)的染色質可及性水平與基因表達水平呈正相關性，甲基化水平與基因表達水平呈負相關性（圖4A）。值得注意的是，在基因體上這種相關性不是單調的。人類胚胎及成年人心臟樣品基因體甲基化水平與基因表達水平呈“鐘形分布”（圖4B）。這種分布模式背后的詳細機理有待進一步研究。

圖4 人心臟多組學在啟動子區(qū)（A）和在基因體（B）的關系

綜上所述，該研究首次同時繪制了人鼠健康心臟四腔室的轉錄組、甲基化組和染色質開放閉合狀態(tài)的多組學圖譜，揭示了各種組學在人鼠心臟中的時空特性。該多組學圖譜成為目前心臟其它組學圖譜的重要補充，為心臟發(fā)育和疾病機制研究、生物標志物篩選以及治療靶點的發(fā)現夯實了基礎。

北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心、生命科學學院博士研究生高俊鵬和前沿交叉學科研究院博士研究生鄭宇軒為該研究論文的共同第一作者。文路與宋雷、王繼征為該論文的共同通訊作者。該研究項目得到了國家自然科學基金委和北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的支持。

來源：北京大學