2月15日，國際學(xué)術(shù)期刊Circulation Research在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所）周斌研究組與香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院Kathy O. Lui教授的合作綜述文章“Application of New Lineage Tracing Techniques in Cardiovascular Development and Physiology”。該論文回顧了近些年來新的遺傳譜系示蹤技術(shù)在心臟發(fā)育與再生研究中的應(yīng)用，詳細介紹了雙同源重組系統(tǒng)以及鄰近細胞系統(tǒng)在心臟多種細胞類型研究中的發(fā)展與應(yīng)用，主要圍繞心肌細胞、冠狀血管以及間充質(zhì)細胞群展開介紹。
心臟是第一個發(fā)育并通過復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)循環(huán)貫穿全身的器官，從而提供營養(yǎng)和激素，促進氧氣和二氧化碳的交換，并在生物體的整個生命周期中維持免疫監(jiān)視。不同類型的心血管細胞和諧地協(xié)調(diào)維持正常心臟功能的過程。多種細胞系在基因表達、細胞狀態(tài)決定和細胞命運轉(zhuǎn)換方面經(jīng)歷動態(tài)變化，以促進、適應(yīng)甚至調(diào)節(jié)疾病進展過程中的病理生理過程。過去三十年間，心血管疾病一直是世界范圍內(nèi)死亡率和發(fā)病率的主要原因。因此，了解發(fā)育、衰老和疾病進展過程中的細胞異質(zhì)性、起源和命運多樣性，有助于開發(fā)新的心血管疾病治療策略。迄今為止，基于單一位點特異性重組后的永久、不可逆和可遺傳的細胞追蹤方法已經(jīng)豐富了人們對包括心臟在內(nèi)的多器官系統(tǒng)中靶細胞發(fā)育軌跡的理解。其中最被大家廣泛使用的則是Cre-loxp重組系統(tǒng)，除此之外還有一些與其正交的重組系統(tǒng)，包括Dre-rox，F(xiàn)lp-frt，Dre-rox，以及Nigri-nox。然而，許多由單基因啟動子驅(qū)動的重組酶表現(xiàn)出特異性不足，并且一些基因的驅(qū)動是瞬時的，單重組系統(tǒng)很難做到完全捕捉。近年來，一系列創(chuàng)新性的譜系追蹤技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，利用不同的正交重組酶的組合來揭示心臟發(fā)育、疾病、修復(fù)和再生過程中多細胞復(fù)雜性的更深刻和精確的見解。該論文通過使用這些前沿的方法來分析心臟的三種主要細胞類型:心肌細胞、內(nèi)皮細胞和間充質(zhì)細胞的功能起源，總結(jié)了這些新發(fā)現(xiàn)。該論文提供了基于正交重組酶的新的遺傳譜系追蹤工具如何繞過以前的技術(shù)限制并解決心血管領(lǐng)域的難題的詳細示例。
在心臟的發(fā)育過程中，該論文舉例總結(jié)了利用雙重組酶系統(tǒng)揭示不同來源的心肌細胞在心臟中的定位以及揭示Isl1不僅僅代表第二心場祖細胞的研究，揭示了新的遺傳譜系示蹤技術(shù)在心臟發(fā)育領(lǐng)域內(nèi)揭示新的發(fā)現(xiàn)以及完善先前研究結(jié)論的重要作用。除此之外，該論文還舉例總結(jié)了心肌細胞的來源問題，利用雙系統(tǒng)解決了成體心臟中c-kit+心肌干細胞是否存在的問題，由于c-kit也在一些心肌細胞中表達，利用開發(fā)的新雙重組酶報告基因系統(tǒng)，研究者們特異性地排除所有c-kit+心肌細胞，標(biāo)記所有的c-kit+非心肌細胞，揭示了成體干細胞中并沒有c-kit+心肌干細胞的存在。另外有研究者利用開發(fā)的新的不依賴于特定的心肌干細胞標(biāo)記物的雙同源重組系統(tǒng)，揭示了在成體心臟中不會有任何心肌干細胞的存在，新的心肌細胞只會來源于原有的心肌細胞；同時利用新的系統(tǒng)揭示了只有在胚胎早期存在非心肌細胞向心肌細胞的轉(zhuǎn)化，在胚胎期E11.5天之后幾乎不再有非心肌細胞向心肌細胞的轉(zhuǎn)化，表明新的遺傳譜系示蹤技術(shù)在解決有爭議的科學(xué)問題中的重要作用。除了利用報告基因來構(gòu)造雙重組酶系統(tǒng)外，該論文還總結(jié)了近年來研究者們利用一種誘導(dǎo)型同源重組酶來釋放另一種持續(xù)性重組酶的雙重組策略，舉例揭示了心肌細胞這種增殖極為緩慢的細胞的增殖規(guī)律，雙重組酶介導(dǎo)的遺傳示蹤平臺促進了心肌細胞增殖在特定窗口的連續(xù)記錄，以高分辨率提供了有價值的增殖心肌細胞的時空信息。
在冠狀血管系統(tǒng)中，該論文總結(jié)了近年來通過雙重組酶系統(tǒng)特異性地對冠狀血管以及淋巴管進行標(biāo)記、示蹤甚至調(diào)控基因的表達，在排除調(diào)控的基因?qū)ζ渌鞴俚难芤约靶呐K其它細胞類型的影響下，特異性地揭示特定基因?qū)τ诠跔钛芑蛘吡馨凸艿恼{(diào)控作用。另外，該論文還總結(jié)了實現(xiàn)高效示蹤的同時實現(xiàn)基因調(diào)控的新遺傳譜系示蹤技術(shù)，總結(jié)了這些技術(shù)在揭示冠狀動脈發(fā)育機制以及心內(nèi)膜多能性機制上的重要作用。除此之外，該論文還總結(jié)了利用雙同源重組酶結(jié)合動脈內(nèi)皮細胞標(biāo)志物驅(qū)動的報告基因系統(tǒng)，揭示成體心肌梗死后存在的毛細血管轉(zhuǎn)變?yōu)楣跔顒用}的現(xiàn)象。另外，近年來有研究者開發(fā)了利用細胞-細胞接觸示蹤系統(tǒng)，以實現(xiàn)在體內(nèi)生理條件下示蹤與配體細胞接觸過的配體細胞。該論文對此系統(tǒng)進行總結(jié)，并總結(jié)了該系統(tǒng)特異性標(biāo)記心臟的內(nèi)皮細胞，再次揭示心臟的內(nèi)皮細胞可以貢獻到肝臟血管內(nèi)皮細胞的現(xiàn)象。在該論文中還提到在未來，將細胞間遺傳示蹤技術(shù)與正交重組酶介導(dǎo)的基因組編輯相結(jié)合，可能為了解心血管發(fā)育和發(fā)病過程中的細胞起源和命運可塑性提供新的機會。
該論文還總結(jié)了新的雙重組酶系統(tǒng)在心臟間質(zhì)細胞中的研究，總結(jié)了利用新的雙重組酶技術(shù)揭示的內(nèi)皮細胞在胚胎期發(fā)生內(nèi)皮細胞向間質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化（EndoMT），但在成體心臟中，即使是損傷后也不會發(fā)生EndoMT，成體心臟中新的成纖維細胞來源于已經(jīng)存在的成纖維細胞。該論文還總結(jié)了不同發(fā)育來源的成纖維細胞在心臟中的不同定位以及對于損傷的不同響應(yīng)，總結(jié)了心臟成纖維細胞的異質(zhì)性與其細胞來源之間的關(guān)系。同時，由于間質(zhì)細胞的異質(zhì)性，該論文還總結(jié)了利用雙重組酶系統(tǒng)揭示不同間質(zhì)細胞亞群向脂肪細胞或者血管平滑肌細胞轉(zhuǎn)化的異質(zhì)性。該論文還總結(jié)了在損傷情況下，比如動脈粥樣硬化中，利用相應(yīng)新開發(fā)的雙重組酶系統(tǒng)揭示了血管平滑肌細胞會經(jīng)歷不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌募毎愋?，總結(jié)了新的遺傳譜系示蹤技術(shù)可以揭示動脈粥樣硬化斑塊中細胞的狀態(tài)乃至命運的轉(zhuǎn)化。該論文總結(jié)了以上研究可以為治療心臟纖維化或者動脈粥樣硬化等心臟疾病提供新的治療靶點以及治療手段。
總的來說，該論文總結(jié)了近些年在心臟研究中開發(fā)的新的遺傳譜系示蹤技術(shù)以及利用這些新的技術(shù)得到的新結(jié)論或者解決的領(lǐng)域內(nèi)存在已久的爭議，這些總結(jié)進一步加深人們對心血管疾病發(fā)生和發(fā)展過程中細胞命運維持和轉(zhuǎn)化的分子機制的理解，為后續(xù)提出新的干預(yù)治療靶點與方式提供了一些有利支持。該論文還對未來開發(fā)新的遺傳譜系示蹤技術(shù)以及與其他技術(shù)如單細胞測序技術(shù)，條形碼示蹤技術(shù)等的結(jié)合有著新的展望。
分子細胞卓越中心周斌研究組博士研究生張銘珺為該文的第一作者，周斌研究員與香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Kathy O. Lui教授為該文的共同通訊作者。該項工作得到了來自中國科學(xué)院、基金委、科技部、上海市科委、香港研究資助局以及新基石等項目的經(jīng)費支持，以及分子細胞卓越中心動物實驗和細胞分析技術(shù)平臺的幫助與支持。
文章鏈接：https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCRESAHA.123.323179
雙重組酶系統(tǒng)在心血管研究中的應(yīng)用
