从干细胞到功能性心脏，揭示Mesp1基因发挥的关键作用

　　在一项新的研究中，来自比利时布鲁塞尔自由大学和英国剑桥大学的研究人员鉴定出关键基因Mesp1在心血管细胞谱系分离（cardiovascular lineage segregation）的最早阶段发挥的作用。这一发现可能有助于更好地理解先天性心脏缺陷。相关研究结果于2018年1月25日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Defining the earliest step of cardiovascular lineage segregation by single-cell RNA-seq”。

　　图片来自Fabienne Lescroart。

　　心脏是发育过程中形成的第一个器官，包含四个区域（心室和心房），这些区域含有执行特殊功能的细胞：跳动的心肌细胞确保泵血活性；血管细胞形成血管内壁；起搏细胞（pacemaker cell）调节着心跳。除非心脏祖细胞（heart progenitor cell）在正确的时间产生、迁移到正确的位置并分化成正确的细胞类型，不然严重的心脏畸形就会产生。在人类患者中，这些心脏畸形被认为是先天性心脏病，也是新生儿出现严重出生缺陷的最常见原因。之前的研究已表明多种心脏祖细胞是由不同的表达Mesp1基因的细胞群体产生的。然而，人们仍不清楚如何在分子水平上区分这些不同的心脏祖细胞，以及哪些分子机制促进特定心脏区域或者说心脏细胞谱系（cardiac lineage）产生。

　　在这项新的研究中，由布鲁塞尔自由大学干细胞与癌症实验室的Cédric Blanpain教授和剑桥大学的Berthold Göttgens教授领导的一个研究团队利用单细胞分子谱（single cell molecular profiling）和谱系追踪（lineage tracking）技术鉴定出Mesp1在心血管细胞谱系分离的最早阶段发挥的作用。

　　Fabienne Lescroart及其同事们在胚胎发育的不同阶段分离出表达Mesp1的细胞，并对这些早期的心脏祖细胞进行单细胞转录组分析，以便鉴出定与心脏祖细胞的区域和细胞类型身份相关的分子特征。他们证实不同的心脏祖细胞群体具有截然不同的分子特征。

　　为了确定转录因子Mesp1在调节心血管分化程序和早期心血管祖细胞的异质性中发挥的作用，他们也在Mesp1缺乏的情况下对这些早期的祖细胞进行单细胞分子谱分析。这些实验表明Mesp1是退出多能性状态和激活心血管基因表达程序所必需的。

　　通过开展生物信息学分析，这些研究人员鉴定出在这些早期的表达Mesp1的心血管祖细胞中，不同的细胞群体对应于定向产生不同的心脏细胞谱系和心脏区域，并且鉴定出与早期的心脏细胞谱系限制（lineage restriction）和心脏区域分离（regional segregation）相关的分子特征。虽然心血管祖细胞尚未分化，但是这些新的分析结果表明它们已“做好准备”或受到预先指定产生心肌细胞或血管细胞。这些研究人员发现在这个早期的发育阶段，这些不同的细胞人群也是在不同的时间点产生的，并且存在于特定的位点。最后，这些研究人员鉴定出心脏细胞谱系和血管细胞谱系之间的最早分支点，并且证实在早期的胚胎发育期间，Notch1是定向产生血管细胞谱系的早期祖细胞的标志物。

　　理解与早期的心血管细胞谱系定向分化和心脏区域相关的分子特征对设计指导心血管祖细胞获得来自不同心脏区域的心脏细胞身份或血管细胞身份的新策略将是至关重要的，所获得的细胞可用于治疗心脏疾病。Cédric Blanpain教授评论道，“未来的研究将需要确定这项研究鉴定出的早期细胞谱系分离模式是否控制不同器官和组织中的不同细胞谱系形成。同样重要的是，确定这项研究揭示出的分子特征是否在先天性心脏畸形中起作用，而且是否也能够被用来促进心血管祖细胞分化为特定的细胞谱系，而这可能对改善用于心脏修复的细胞疗法产生重要的意义。”

　　Bertie Gottgens教授声称，“我们的新发现非常依赖于近期的技术创新，这些技术创新允许我们确定单个细胞的基因活性谱。我们不仅能够研究之前不可能研究的微量细胞群体，而且我们也能够使用计算机根据单个细胞的基因活性谱将它们分成不同的细胞亚群或细胞类型。正如Blanpain指出的那样，从这些新发现的基因活性谱中，我们能够发现新的候选心脏基因，这些基因可能被用来开发用于心脏修复的新型疗法。”