格莱斯顿研究所(Gladstone Institutes)的研究人员与卢森堡大学(University of Luxembourg)卢森堡系统生物医学中心(Luxembourg Centre for Systems Biomedicine，简称LCSB)合作，揭示了胚胎期形成心脏的细胞的调控，以及单个基因突变如何在形成心脏的过程中导致不良后果。研究结果发表在科学杂志《Nature》上。

        每年，成千上万的准父母在得知他们的孩子出生时就有先天缺陷时，他们共同的9个月的梦想和期待变成了绝望和恐惧;全球每20个出生的孩子中就有一个会受到这种毁灭性事件的影响。如果有几个细胞不能到达正确的位置，不能正常工作，最终的结果就是先天缺陷。然而，每个细胞如何知道在正确的时间和地点做什么，在很大程度上还是一个谜。

        先天性心脏缺陷是最常见和最致命的人类出生缺陷。由于一项被称为单细胞RNA测序的强大新技术的出现，研究人员终于能够辨别出成千上万个单个细胞在心脏形成过程中的作用，这对于确定基因突变如何导致疾病至关重要。

        “通过基因组测序，我们现在可以更容易地找到我们认为与疾病有关的基因变异，”Gladstone总裁兼高级研究员、医学博士迪帕克·斯里瓦斯塔瓦(Deepak Srivastava)说。“最大的挑战是弄清楚这种变异的具体细胞类型，以及这些细胞是如何发挥作用的。这对于先天缺陷来说尤其困难，因为遗传变异只影响器官中一小部分细胞。有了单细胞技术，我们终于可以解开缺陷背后的机制，而我们知道缺陷的遗传原因。”

        斯里瓦斯塔瓦和他的团队编制的目录包含了在心脏发育的不同阶段活跃的所有基因，并确定了可以找到这些基因的细胞。它代表了在基因变异和特定细胞类型之间建立联系的第一步。

        “这可以告诉我们,在其他许多方面,细胞的哪些子集执行关键功能在特定地区的心脏和导致疾病的根本原因与基因突变有关,”解释Yvanka De Soysa,斯利瓦斯塔瓦的实验室和研究生研究的第一作者。

        丰富的心脏发育数据来源

        为了完成这个存储库，研究人员从小鼠心脏发育模型中研究了近4万个单独的心肌细胞。使这项研究成为可能的技术是单细胞RNA测序。这种复杂的方法，在过去的3年里才以目前的形式投入商业使用，使科学家们能够同时捕捉到数千个单个细胞的数据。

        “这测序技术允许我们看到所有不同类型的细胞在不同开发阶段的心,帮助我们确定哪些基因被激活和抑制,”凯西·a·吉福德说,博士科学家在格莱斯顿是这篇论文的主要作者。“我们不仅能够发现未知细胞类型的存在，而且还对单个细胞的功能和行为有了更好的了解——这是我们以前无法获得的信息。”

        一旦确定了参与心脏发育的多种细胞类型，研究小组就想知道这些不同的细胞类型是如何产生的。为此，他们与康文署的计算生物学家合作，利用单细胞RNA测序数据来揭示不同细胞类型的分子驱动因素。

        康文署计算生物学组组长、西班牙毕尔巴鄂CIC bioGUNE研究中心的伊克巴斯克研究教授安东尼奥•德尔索尔(Antonio Del Sol)解释称:“我们的团队在开发计算模型以理解细胞转化方面有着悠久的历史。”“我们有专门知识来研究控制细胞身份的整个基因网络。当我们加入这个项目时，我们运用我们的方法来预测——在没有任何事先知识的情况下——哪些分子因素控制着这些不同的心脏细胞的命运。”

        A酝酿了20年的发现

        计算分析预测了与心脏中产生特定细胞类型有关的基因，从而阐明了这些细胞的功能。分析还指出了一个主要的参与者，一个名为Hand2的基因，它可以控制其他数千个基因的活动，斯里瓦斯塔瓦在20多年前发现并命名了这个基因。

        后来，作为一名年轻的研究人员，斯利瓦斯塔瓦花了数年时间来研究这种基因和主调节器的作用。他最终发现它是心脏形成的最重要的基因之一。但大约10年前，在试图发现这种基因如何影响构成心脏器官的心脏细胞时，他的工作陷入了僵局，因为当时还没有进行这项研究的科学工具。今天，由于新技术的出现，他的努力终于得以恢复。

        通过应用单细胞RNA测序，他和他的合作者能够得到一个更加详细和完整的图片，关于失去Hand2如何导致不同的细胞群变得失调。

        缺少基因Hand2的老鼠无法形成右心室，而右心室将血液泵入肺部。令人惊讶的是，卢森堡研究人员的新预测表明，Hand2并不需要细胞被引导成为右室细胞，但它对形成流出道细胞至关重要。流出道是心脏主要流出血管形成的地方。

        德·索伊萨说:“基于此前的研究结果，这一结论毫无意义。“然而，我们发现，事实上，Hand2对于不同的细胞类型有非常不同的功能。”

        计算预测结果是正确的。研究小组发现，没有Hand2基因的心脏从来没有形成流出道的细胞，但确实产生了右心室细胞。在心脏的编舞中，一个细胞的形成是不够的，它还必须相对于其他“舞者”到达正确的位置。在没有Hand2的情况下，右心室细胞被创造出来，但仍停留在它们的原点，无法进入发育中的心脏。

        德苏萨补充说:“我们的合作发现改变了我们对心脏形成的看法，并揭示了细胞命运的破坏、迁移或少数细胞的存活是如何导致心脏缺陷的。”

        先天性心脏病的治疗前景广阔

        这项研究揭示了相对较少的细胞群在发育过程中受到影响并导致心脏形成缺陷的机制。这也代表了一个没有单细胞RNA测序技术就不可能实现的发现。

        “单细胞技术可以告诉我们器官是如何以我们以前无法理解的方式形成的，还可以提供与基因变异相关的疾病的潜在原因，”吉福德说。“我们揭示了非常非常小的细胞亚群的细微差异，这些亚群实际上具有灾难性的后果，在过去很容易被忽视。这是设计新疗法的第一步。”

        值得注意的是，新的心脏细胞目录现在可以服务于对心脏发育的各个方面感兴趣的科学家和医生。了解了心脏正常和异常形成所涉及的细胞类型后，科学界可以开始设计策略来纠正导致先天性心脏病的遗传变异。

        这些发现也可以指导治疗方法，以帮助新生儿和不断增长的成人先天性心脏病患者。

        斯里瓦斯塔瓦说:“通过外科手术，我们已经非常擅长让大多数患有心脏缺陷的孩子活下来。”他也是加州大学旧金山分校贝尼奥夫儿童医院(UCSF Benioff Children's Hospital)的儿科心脏病学家和加州大学旧金山分校(UC San Francisco)的儿科教授。“结果是，今天美国有近250万先天性心脏病幸存者。”

        当患有先天缺陷的儿童有幸存活下来时，导致发育问题的相同基因条件可能会导致终生维持健康心脏的持续困难。

        斯利瓦斯塔瓦补充说:“我们开始看到对成年人的长期影响，而现在，我们真的没有任何方法来治疗他们。”“我的希望是，如果我们能够了解受影响的基因原因和细胞类型，我们可能会在出生后不久就进行干预，防止随着时间的推移，它们的状态恶化。”

        对斯利瓦斯塔瓦来说，圣杯将是获得一幅如此清晰的图像，了解导致先天性心脏缺陷的机制，从而为那些有遗传风险的人制定预防策略。

        他说:“叶酸是最好的范例——现在怀孕的母亲需要摄入更多的这种维生素，并且能够成功地预防近三分之二的脊柱裂。”“最终目标是建立类似的公共卫生措施，通过预防降低出生缺陷的总体发生率。但首先，我们必须知道在哪里以及如何干预。”

        来源：Medindia

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