学术动态 | 如何利用单细胞技术深入研究心脏病背后的机制
根据美国心脏协会的数据，心脏病是全球死亡的主要原因。在中国，随着社会经济的发展，国民生活方式的变化，尤其是人口老龄化及城镇化进程的加速，居民不健康生活方式日益突出，心血管病对居民健康的影响也越加显著。目前，中国心血管病患病率处于持续上升阶段，占城乡居民总死亡原因的首位，推算心血管病现患人数高达3.3亿。毫无疑问，心血管病给居民和社会带来的经济负担日渐加重。触目惊心的统计数据更说明了我们迫切需要推进心血管研究以提出更多可操作的预防和治疗方案。
为此，科学家们正凭借单细胞技术深入研究心脏病背后的机制。在本期推送所带来的两篇研究论文中，研究人员在成纤维细胞表型转换方面有了新发现，并创建了衰竭心脏的单细胞转录图谱。
成纤维细胞表型转换是如何导致心脏病的？
“转录开关”控制心脏病中的成纤维细胞激活。旧金山格莱斯顿研究所Deepak Srivastava博士团队使用单细胞基因表达和单细胞ATAC的组合用于染色质可及性分析以研究小鼠心脏中的成纤维细胞活化[1]。心脏成纤维细胞被激活时会引发导致心脏病的压力反应。众所周知，使用抑制BET蛋白的JQ1分子治疗心脏病可以改善心脏功能[2]。因此，研究使用单细胞RNA测序 (scRNA-seq) 来揭示在开始和停止这种治疗时不同细胞类型会发生什么。对不同组进行了scRNA-seq，包括对照小鼠、未治疗心力衰竭的小鼠、接受JQ1治疗的小鼠以及最近停止治疗的小鼠。令人惊讶的是，发现了一个“可逆的转录开关”，即成纤维母细胞的转录组根据是否被治疗在静止和激活状态之间交替。
间歇性暴露于BET溴域抑制期间非心肌细胞在心力衰竭中的单细胞转录图谱
接下来，采用单细胞ATAC对同一心脏进行转座酶可及染色质测序 (scATAC-seq) 的单细胞分析，目的是关注增强子（位于基因组中任何位置的DNA序列，可启动给定基因的转录)，因为其增加的可及性与较差的心脏功能相关。研究发现了一种增强子，它与位于转录因子MEOX1下游的心脏功能呈显着负相关。功能研究表明，该元素是TGFβ诱导的成纤维细胞活化中MEOX1表达的必要成分。从本质上讲，MEOX1可以作为打开心脏成纤维细胞并诱导心脏纤维化的“开关”。
scATAC定义了间歇性暴露于BET溴域抑制期间心力衰竭的染色质可及性
炎症和纤维化在心力衰竭中发挥什么作用？
北京阜外医院宋江平博士团队通过将单细胞基因表达和单细胞免疫图谱相结合，创建了首个成人衰竭心脏中白细胞和非肌细胞的单细胞转录组图谱[3]。有研究表明，心脏炎症对心脏纤维化过程至关重要，会导致心力衰竭[4]。缺血性心肌病 (ICM) 和扩张型心肌病 (DCM) 都是流行病，研究选择对这两类心肌病进行抽样以提供最全面的图谱。使用scRNA-seq分析了三个DCM心脏、三个ICM心脏和两个非失败供体心脏的转录组，以揭示13种主要细胞类型，包括成纤维细胞、各种免疫细胞类型等。在这种表现出广泛表型变化的异质性中，使用拟时序分析发现转录因子AEBP1在POSTN+成纤维细胞和ACTA2+肌成纤维细胞中表达越来越多，使其成为可能的心脏纤维化的新调节因子。
人类衰竭心脏中T细胞的scRNA-seq和scTCR-seq
考虑到在衰竭的心脏中发现了T细胞，对从另外两名DCM患者和一名ICM患者收集的T细胞进行单细胞免疫组库图谱分析。发现细胞毒性CD8+T细胞浸润纤维化的心脏，CD4+T细胞转变为促炎状态，导致心力衰竭时出现炎症。在scRNA-seq数据中对骨髓细胞的进一步转录组分析表明，巨噬细胞可以通过CCR2和MHC II 类分子表达（CCR2-HLA-DRhi和CCR2+HLA-DRhi巨噬细胞）来划分，并且促血管生成趋化因子CXCL8在一些细胞中被上调。此外，CXCL8hiCCR2+HLA-DRhi巨噬细胞的一个亚群在严重的心脏纤维化中特异性地移动到心肌并刺激白细胞的募集和炎症。最后，使用CellPhoneDB绘制受体-配体对以观察细胞-细胞相互作用，发现DARC+内皮细胞和CXCL8hiCCR2+HLA-DRhi巨噬细胞之间存在串扰，这可能导致更多的白细胞浸润和炎症增加。这种心脏免疫微环境的单细胞图谱将大大有助于发现新的途径和串扰，有助于增加对心脏病背后机制的理解，并可能发现新的治疗靶点。
参考文献：
[1] Alexanian M, et al. A transcriptional switch governs fibroblast activation in heart disease. Nature 595: 438–443 (2021).
[2] Antolic A, et al. BET bromodomain proteins regulate transcriptional reprogramming in genetic dilated cardiomyopathy. JCI Insight 5: e138687 (2020).
[3] Rao M, et al. Resolving the intertwining of inflammation and fibrosis in human heart failure at single-cell level. Basic Res Cardiol 116: 55 (2021).
[4] Bansal SS, et al. Dysfunctional and proinflammatory regulatory T-lymphocytes are essential for adverse cardiac remodeling in ischemic cardiomyopathy. Circulation 139: 206–221 (2019).
