阜外醫院周洲團隊Cell子刊發文：提出心臟流出道血管平滑肌細胞發育新模式

近日，中國醫學科學院阜外醫院周洲教授團隊在Cell Reports發表的最新研究首次發現並證實了，心臟流出道發育過程中存在心肌細胞向血管平滑肌細胞的轉分化（trans-differentiation）。

研究者就此提出了大動脈基部平滑肌匯聚發育（convergent development）的概念。

其中，阜外醫院實驗診斷中心劉宣雨博士為論文第一作者，新鄉醫學院王計奎教授為共同通訊作者。

心臟流出道是先心病發病的熱點部位，在這項研究中，研究者分析了來自小鼠流出道的3個連續發育階段的共50,000多個細胞的單細胞轉錄組，同時結合單分子熒光原位雜交和基於Dre-Rox的譜系追蹤技術進行了分析和驗證。

研究發現，心臟流出道發育過程中涉及到6種細胞類型，共17個細胞亞群，研究者通過機器學習分類模型，為各種細胞類型及其亞群定義了分子特徵（圖1）。

註：A：17個細胞亞群；B：各種細胞類型及其比例；C：各種細胞類型及其亞群的分子特徵

圖1心臟流出道發育過程中的細胞亞群及其分子特徵

為了分析細胞亞群間關係，研究者通過力導向的KNN圖布局（force-directed layout of k-nearest-neighbor graph）在二維空間內更加準確反映數據結構（圖2A），同時分析細胞狀態隨時間的變化動態（圖2B）和細胞亞群的特異表達譜，發現了與平滑肌分化直接相關的細胞亞群（圖2C）。

有趣的是，除了間充質細胞向平滑肌細胞轉化外，一個可能向平滑肌細胞發生了轉分化的心肌細胞中間態亞群c9「浮出水面」，研究者推測，流出道的平滑肌細胞可能存在匯聚發育模式。

圖2心臟流出道平滑肌的匯聚發育模式

研究者進一步通過擬時間排序分析發現，在心肌向平滑肌轉分化過程中，隨著分化的進行，細胞的心肌標記的表達下調，平滑肌標記的表達上調（圖3A）。

值得注意的是，Notch信號途徑中的基因隨著分化的進行逐漸上調（圖3B）。通過基因調控網路打分分析，最終揭示出了心肌細胞向平滑肌細胞轉分化過程中的關鍵轉錄因子（圖3C），如Notch信號通路（已知在流出道的發育中扮演重要角色）的下游轉錄因子Heyl。

圖3擬時間排序和基因調控網路分析揭示出心肌細胞向平滑肌細胞轉分化過程中的關鍵轉錄因子

單分子熒光原位雜交結果顯示，從近端到遠端的流出道連續橫截面可以觀察到從心肌表型向平滑肌表型的過渡（圖4A）。細胞共表達心肌的標記基因Myh7和流出道平滑肌的標記基因Cxcl12，為心肌細胞向平滑肌細胞轉分化的存在提供了支持（圖4B）。

圖4單分子熒光原位雜交共表達結果支持流出道發育過程中心肌細胞向平滑肌細胞轉分化的存在

研究者利用可以特異性標記心肌細胞後代的小鼠胚胎模型Tnnt2-Dre;CAG-tdTomato(圖5A), 通過tdTomato和成熟平滑肌標記基因Myh11的共表達最終驗證了流出道發育過程中心肌細胞向平滑肌細胞的轉分化（圖5B）。

圖5譜系追蹤驗證了流出道發育過程中心肌細胞向平滑肌細胞的轉分化

來源：Xuanyu Liu, Wen Chen, Wenke Li, et al.Single-cell RNA-seq of the developing cardiac outflow tract reveals convergent development of the vascular smooth muscle cells. Cell Reports, 2019, 28: 1-16.DOI：10.1016/j.celrep.2019.06.092.

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