在一項新的研究中，來自美國國家兒童醫(yī)院的研究人員對NOTCH1基因的突變?nèi)绾螌?dǎo)致心肌細胞的異常分化和增殖并導(dǎo)致心室發(fā)育不良和其他在人類先天性心臟缺陷中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)異常提供了新的見解。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年1月20日的Circulation Research期刊上，論文標題為“Impaired Human Cardiac Cell Development due to NOTCH1 Deficiency”。

2005年，美國國家兒童醫(yī)院心血管研究中心主任、小兒心臟病專家Vidu Garg博士在Nature期刊上發(fā)表論文（Nature, 2005, doi:10.1038/nature03940），首次描述了NOTCH1突變與先天性心臟病之間的聯(lián)系。自該論文發(fā)表以來，NOTCH1突變已經(jīng)與多種類型的先天性心臟缺陷有關(guān)，包括左心發(fā)育不全綜合征（hypoplastic left heart syndrome）。

盡管NOTCH信號對哺乳動物的心臟發(fā)育至關(guān)重要，但NOTCH1基因如何在發(fā)育過程中調(diào)節(jié)人類心臟細胞的分化和增殖仍是未知數(shù)。此外，Garg博士說，導(dǎo)致心室發(fā)育不良的分子機制也不為人所知。

論文通訊作者、美國國家兒童醫(yī)院心血管研究中心研究員Mingtao Zhao博士說，“在這項新的研究中，我們利用人類細胞研究了NOTCH1的缺失如何實際導(dǎo)致心臟發(fā)育異常?！?/p>

Zhao博士及其同事們利用CRISPR/Cas9基因編輯剔除人類誘導(dǎo)性多能干細胞（iPSC）中的NOTCH1，然后將這些iPSC分化為心肌細胞。他們通過單細胞RNA測序分析了所產(chǎn)生的分化細胞在關(guān)鍵發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄動態(tài)變化。

他們發(fā)現(xiàn)，NOTCH1的破壞阻止了人類心室樣心肌細胞（ventricular-like cardiomyocyte）的分化，但促進了心房樣心肌細胞（atrial-like cardiomyocyte）的產(chǎn)生。此外，NOTCH1缺陷導(dǎo)致早期心肌細胞增殖缺陷，可能是通過下調(diào)參與細胞周期進程和有絲分裂的途徑。

圖片來自Circulation Research, 2023, doi:10.1161/CIRCRESAHA.122.321398。

單細胞轉(zhuǎn)錄組分析顯示，NOTCH1的破壞促進了一些來自心臟中胚層的心臟祖細胞類型（即心外膜祖細胞和第二生心區(qū)祖細胞）的分化，但抑制了另一種心臟祖細胞類型（即第一生心區(qū)祖細胞）的分化。

Zhao博士說，“這些發(fā)現(xiàn)為左側(cè)心臟發(fā)育不良的嚴重類型先天性心臟缺陷（比如左心發(fā)育不良綜合征）的疾病機制提供了一些見解?！?/p>

由于第一生心區(qū)祖細胞主要作用于左心室，Zhao博士及其同事們認為NOTCH1突變導(dǎo)致這些細胞的偏向性分化，以及阻止心室樣心肌細胞的分化并導(dǎo)致心肌細胞增殖缺陷。這些都可能導(dǎo)致先天性心臟病的左心室發(fā)育不全。

為了進一步闡明這些機制，這些作者表示，未來的研究需要使用來自攜帶已知的NOTCH1致病突變的左心發(fā)育不良綜合征患者的iPSC，以及在iPSC衍生的三維心臟類器官中進行實驗。

Garg博士說，“如果我們能更好地理解為什么左心室不生長，為什么心肌細胞不增殖，這將為治療策略提供機會?！?/p>

2019年，Zhao博士在美國國家兒童醫(yī)院心血管研究中心建立了第一個人類iPSC基因組學(xué)實驗室。自那時起，Zhao博士、Garg博士和他們的團隊利用100多名先天性心臟病患者的血液樣本構(gòu)建了一個大型iPSC庫。

他說，“通過一種基于患者衍生性iPSC的平臺，我們可能會發(fā)現(xiàn)具有治療潛力的途徑或基因。在未來，我們可能會使用基因療法或小分子方法，在早期發(fā)育過程中刺激心肌細胞的增殖。”（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Shiqiao Ye et al. Impaired Human Cardiac Cell Development due to NOTCH1 Deficiency. Circulation Research, 2023, doi:10.1161/CIRCRESAHA.122.321398.