来源:European Respiratory Journal 发布时间:2021/12/7 10:29:31
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杨隽课题组在European Respiratory Journal发表心肺血管研究突破性成果揭示BMPR2调控右心功能的机制

近日,浙江大学医学院/基础医学院杨隽课题组在医学一区European Respiratory Journal上发表了题为“Single-cell RNA sequencing reveals that BMPR2 mutation regulates right ventricular function via ID genes”的文章。该研究通过先天性心脏病患者的诱导多能干细胞结合单细胞测序及对应的心肌细胞敲除动物模型揭示了BMP下游ID基因在调控心肌细胞分化以及CHD-PAH(Congenital heart disease-Pulmonary arterial hypertension,先心相关肺动脉高压)患者右心功能中的作用机制。

肺动脉高压是一种进行性疾病,其病理特征包括小肺动脉增厚和变窄,引起肺血管阻力升高和右心室肥厚,导致右心室衰竭。在PAH病人中存在着BMP信号通路相关基因的突变。迄今为止,研究主要集中在BMPR2突变PAH患者的肺血管病理重构,但是否与心肌细胞的功能相关还未阐明。ID蛋白是一类含有HLH(helix-loop-helix)结构域的蛋白家族,其作为BMP信号通路的下游,在心肌发育过程中具有重要的调控作用,但是否其对PAH的发生具有主要的调控作用尚无研究。

图一 正常对照iPSCs, 不携带突变和携带突变的CHD-PAH iPSCs的建立及分化得到的心肌细胞功能。

本研究通过将BMPR2突变的CHD-PAH患者的血液重编程获得iPSCs(induced pluripotent stem cells)并进行心肌分化,与对照系相比,BMPR2突变患者的iPSCs的心肌细胞分化效率显著降低,同时Ca离子瞬变能力降低。在BMPR2突变的CHD-PAH iPSCs中,ID1/3的表达水平显著低于对照系。通过将hESCs(human embryonic stem cells)的ID1ID3同时进行了敲除,中胚层分化研究显示敲除系与对照系相比,其心肌细胞分化效率显著降低,在不同分化阶段其中胚层相关基因的表达水平同样显著低于对照系。为了深入研究ID1/3调控心肌分化的分子机制,作者将对照系与敲除系细胞进行了单细胞转录组测序。发现ID的敲除促使定向分化在中胚层阶段发生偏移,进一步分析发现特定亚群的丢失,并且该群细胞低表达USP9X基因。接下来在敲除系中通过过表达USP9X部分恢复ID1/3敲除导致的心肌分化缺陷表型。

图二 单细胞测序分析显示在人胚胎干细胞中用CRISPR/Cas9敲除ID1和ID3基因后,其向心肌细胞分化过程中心肌祖细胞相关细胞群缺失。

之前的研究结果显示,ID1/3的全部敲除可使得胚胎致死。因此,为了进一步研究ID1/3对于心脏发育以及肺动脉高压的影响,本文建立了MESP1-cre介导的ID1/3条件性敲除鼠。体内实验的结果显示,ID1/3心脏的特异性敲除,致使心脏发育异常,同时导致肺动脉的压力升高。综上所述,本文系统的研究了BMPR2下游ID1/3在肺动脉高压发生过程中通过影响心肌细胞发育改变右心功能所起的重要作用,为心肺血管疾病患者的早期基因筛查和对携带突变的患者分型诊治以及BMPR2靶向药物开发提供依据。

图三 多普勒超声和免疫组化及荧光共聚焦影像分析显示Id1/3三敲鼠存在室间隔缺陷。

本文的通讯作者是杨隽,第一作者为杜明霞;同时姜海滨,刘洪宪,李亚宁,周腾飞等人也提供了重要的帮助。另外本文也得到了北京安贞医院顾虹教授和剑桥大学Morrell教授等的支持与帮助。该研究项目得到了国家科技部“干细胞研究与转化”重点研发项目的支持。

杨隽课题组目前的主要研究方向为利用新型细胞分子生物学技术研究干细胞和胚胎发育,心肺血管病发病机制及研发新型药物/干细胞治疗。作为通讯作者,今年已在European Respiratory Journal, Faseb J, Journal of Cardiovascular Pharmacology and Therapeutics, International Journal of Stem Cells等杂志发表多篇SCI论文。指导的博士后获得国家博士后国际交流计划引进人才和国自然青年项目资助,助理研究员获得协和青年基金。

图四 CyTOF质谱流式分析结蹄组织病相关肺动脉高压(SLE-PAH)患者外周血结果及焦亡促使SLE-PAH发生机制研究(Faseb J 2021)。

详细信息请见个人网页:https://person.zju.edu.cn/0019060 杨隽课题组长期招聘博士后和特聘副研究员,如有意向请联系yangimb@163.com

参考文献:

1. Evans JD, Girerd B, Montani D, et al. BMPR2 mutations and survival in pulmonary arterial hypertension: an individual participant data meta-analysis. Lancet Respir Med. 2016 Feb;4(2):129-37.

2. Hautefort A, Mendes-Ferreira P, Sabourin J, et al. Bmpr2 Mutant Rats Develop Pulmonary and Cardiac Characteristics of Pulmonary Arterial Hypertension Circulation. 2019 Feb 12;139(7):932-948.

3. Roberts KE, McElroy JJ, Wong WP, et al. BMPR2 mutations in pulmonary arterial hypertension with congenital heart disease. Eur Respir J 2004: 24(3): 371-374.

4. .Scialdone A, Tanaka Y, Jawaid W, et al. Resolving early mesoderm diversification through single-cell expression profiling. Nature 2016: 535(7611): 289-293.

(来源:科学网)

 
 
 
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