“心”系健康，从了解心脏开始 | 时空简讯37期

时空简讯第37期。

生长发育研究是生命科学领域的重要课题之一。众所周知，生长发育是一个重要的生命现象，它开始于受精卵，经过细胞分裂和分化，形成组织、器官和系统，最终发育成成熟个体。对于人类而言，正常的生长发育是一生健康和发展的重要基石。为快速、高效地传播、共享基于空间组/单细胞分析新技术在生长发育领域取得的前沿学术成果，华大时空特推出生长发育研究专题简讯。遴选与动物生长发育机制相关的代表性前沿文章，持续、针对性地进行精要解读，敬请关注。

心脏，最重要的器官之一。它作为生命的动力源，持续不断地为全身输送血液和营养。可以说，心脏的健康直接关乎全身的健康。在此，遴选了9篇与心脏发生、发育、再生相关的优质前沿文章，展示了基于单细胞空间转录组学技术在心脏发育/再生研究中取得的显著性成果，为深入认识心脏发生与发育机制提供新见解，供大家了解参考。

心脏发生与发育

Cardiogenesis

成人原发性心肌细胞的功能性分离、培养和超低温保存

Signal Transduction and Targeted Therapy [IF:  38.104]

① 创建了一种完整的体外高效分离、原代培养和低温保存成人原代心肌细胞（human primary cardiomyocytes，hPCMs）的方法，发掘了hPCMs作为心血管研究、药物发现和安全药理学的细胞模型的潜力。

② 与传统方法相比，该方法得到的细胞活力增加了2.74倍，同时伴有更好的细胞形态、最小干扰的基因表达、完整的电生理学和正常的神经激素信号传导；进一步优化培养条件，实现能够至少维持7 d最佳的细胞活力、形态和线粒体呼吸。

③ 冷冻保存、经过冻融循环后，hPCMs结构、分子和功能仍均完整；与人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）相比，hPCMs对一系列心脏毒性药物表现出更高的敏感性。

④ 在整体和单细胞转录组水平上进一步解析心肌细胞药物反应，发现hPCMs反应在心功能方面更明显地丰富，而hiPSC-CMs更倾向于响应与心脏发育相关的基因。（Lina）

Functional isolation, culture and cryopreservation of adult human primary cardiomyocytes.

2022-07-27; DOI: 10.1038/s41392-022-01044-5

研究文章；人，心脏，心肌细胞，分离，功能维持，超低温保存；Bingying Zhou, Shengshou Hu; 中国医学科学院，北京协和医学院，中国医学科学院阜外医院；中国

devCellPy：自动注释复杂的多层单细胞转录组数据的机器学习管道

Nature Communications [IF：17.694]

① 提出了一个高度精确的机器学习工具devCellPy，它能自动预测从任何组织或物种获得的高度复杂的注释层次结构的细胞类型。

② devCellPy允许用户从任何模型生物的任何组织获得的任何参考scRNA-seq数据集来创建训练模型，并可以轻松导出这些模型，以对类似细胞类型和亚型的新数据集进行预测。

③ 从四个公开的包含来自E6.5~E16.5的104,199个细胞的数据集中构建了小鼠心脏发育图谱，观察到devcellPy生成的算法能够精确预测（>90%）小鼠心脏注释层复杂层次结构中的细胞类型。

④ 利用devCellPy对人类诱导多能干细胞的心肌细胞亚型进行了跨物种预测，发现hiPSC衍生心肌细胞表现出发育不成熟，且其胚胎表型和小鼠心肌细胞成熟基因表达程序具有密切保守性。（Lina）

devCellPy工作流程示意图

devCellPy is a machine learning-enabled pipeline for automated annotation of complex multilayered single-cell transcriptomic data.

2022.09.07; 10.1038/s41467-022-33045-x

研究文章；人类诱导多能干细胞，发育，devCellPy，机器学习，注释；Francisco X. Galdos, Sidra Xu, Sean M. Wu; Stanford University School of Medicine; USA.

AP-1转录因子短暂激活介导出生后心肌细胞的成熟

Cardiovascular Research [IF：13.081]

① 应用scRNA-seq分析出生后第1天和第7天的大鼠心脏样本，首次证明了AP-1（激活蛋白1）转录因子在体外和体内参与出生后心肌细胞的成熟，揭示了心肌细胞成熟的分子机制，并可能带来治疗先天性心脏病的新方法。

② AP-1转录因子在心肌细胞成熟过程中被短暂激活，并在这一保守过程中发挥作用；用T-5224（一种可以特异性抑制Fos和Jun的DNA结合活性的抑制剂）处理新生大鼠心室心肌细胞，发现抑制AP-1会阻碍心肌细胞成熟。

③ 通过棕榈酸或cAMP激动剂Fsk分别激活AP-1家族基因（如Atf3、Jun），可以抑制心肌细胞的胞质分裂并促进心肌细胞的成熟；而敲除Atf3、Jun会促进心肌细胞胞质分裂，减少多倍体，抑制成熟。

④ AP-1通过脂肪酸（如棕榈酸）和cAMP激动剂等各种上游信号介导心肌细胞的成熟过程，至少部分是通过直接激活脂肪酸氧化基因，促进心肌细胞的成熟。

⑤ 在出生后第2天至第4天的新生小鼠腹腔注射AP-1抑制剂T-5224，发现会阻碍体内心肌细胞的成熟，提示AP-1在体内调节心肌细胞胞质分裂和成熟中发挥重要作用。（杨博林）

试验设计与主要发现

AP-1 activation mediates post-natal cardiomyocyte maturation.

2022.05.31, DOI: 10.1093/cvr/cvac088

研究文章；大鼠，小鼠，心脏，心肌细胞，AP-1，细胞成熟，scRNA-seq；Hongjie Zhang, Lijuan Pei, Ke Wei；同济大学；中国

不对称Hapln1a驱动斑马鱼发育过程中区域性心脏ECM扩张并促进心脏形态发生

Cardiovascular Research [IF: 10.787]

① 选取24 hpf（h post-fertilization）以上的10个不同品系的斑马鱼胚胎，通过活体光片成像技术，描述了心肌和心内膜之间细胞外基质（extra cellular matrix，ECM）在心脏循环和腔室膨胀开始之前表现出区域化扩张，心管左侧和未来心房的ECM都较厚。

② 空间转录组数据揭示心管中的基因表达特征，确定蛋白聚糖连接蛋白1 （Proteoglycan Link Protein 1a，hapln1a）可能是驱动ECM扩张的候选基因；原位杂交数据证实心脏中hapln1a的区域化表达，在未来心房和心管左侧的表达水平最高，与观察到的ECM扩张重叠。

③ ECM的扩张依赖于透明质酸和Hapln1a，Hapln1a在区域调节心脏ECM大小以促进心脏形态发生。

④ 虽然不对称的hapln1a表达独立于侧向性线索，但心脏的hapln1a不对称轴是由胚胎侧向性决定的，这支持一个新模型，即胚胎左右不对称严格定义心管ECM不对称的方向，且这些通路一起微调不对称的心脏形态发生。（刘传军）

研究思路与主要发现

Asymmetric Hapln1a drives regionalized cardiac ECM expansion and promotes heart morphogenesis in zebrafish development.

2021.02.22, DOI: 10.1093/cvr/cvab004

研究文章；斑马鱼，心脏，形态发生，细胞外基质，侧边性，发育，空间转录组；Christopher J. Derrick, Juliana Sa´nchez-Posada, Emily S Noël; University of Sheffield; UK.

转录组学之外的细胞状态：整合hiPSC衍生的心肌细胞的结构组织和基因表达

Cell Systems [IF：10.304]

① 开发了一个定量的、基于成像的平台，用于对单细胞中的亚细胞组织进行系统和自动分类。

② 使用该平台量化了超过30,000个人类诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cell，hiPSC）衍生的心肌细胞的亚细胞组织和基因表达，产生了一个公开可用的数据集，该数据集描述了局部和整体肌节组织的群体分布、mRNA丰度以及这些性状之间的相关性。

③ 一些表型上重要基因的mRNA丰度与亚细胞组织相关，但这两个细胞指标是异质性的，且通常不相关，表明仅靠基因表达不足以对细胞状态进行分类，故假设细胞状态应该通过观察单细胞中数量、多维性状的完整分布来定义，这些性状也可以解释细空间、时间和功能。（胡晓燕）

基于hiPSC衍生的心肌细胞RNA丰度预测肌节组织的方法示意图

Cell states beyond transcriptomics: Integrating structural organization and gene expression in hiPSC-derived cardiomyocytes.

2021.05.26，DOI: ,10.1016/j.cels.2021.05.001

研究文章；人类诱导多能干细胞，心肌细胞，结构，基因表达；Kaytlyn A. Gerbin, Tanya Grancharova, Rory M. Donovan-Maiye, Melissa C. Hendershott, Ruwanthi N. Gunawardane；Allen Institute for Cell Science; USA.

发育过程中心脏神经嵴细胞衍化物的单细胞转录组图谱

EMBO Reports [IF: 8.807]

① 选取E10.5到P7（出生后第7天）之间8个发育阶段的小鼠心脏样本，基于大规模的scRNA-seq分析和smFISH验证，报告了与微血管系统相关的心脏神经嵴细胞（cardiac neural crest cells，CNCC）衍生壁细胞的存在，确定了心脏壁细胞除心外膜或心内膜内皮细胞外的第三种来源，为CNCC衍生物在发育过程中的细胞谱系、发育时间轴和调控动力学提供了新见解。

② 通过单细胞伪时序分析，证实从CNCC衍生的周细胞到微血管平滑肌细胞（microvascular smooth muscle cells，mVSMC）转变的线性轨迹，并首次阐明了未知调控变化及转变过程中潜在的重要调控因子。

③ 定义了CNCC衍化细胞谱系的发育时间轴，发现CNCC衍生的神经元首次出现在E10.5，这比之前认识的要早；许多CNCC衍化细胞在到达心脏时已经确定或分化为特定的细胞谱系。

④ 计算并重建了CNCC衍化间充质和VSMC谱系的分化路径和调控动态详细图谱。（LYC）

实验过程示意图及被取样心脏的发育阶段

Single-cell transcriptomic landscape of cardiac neural crest cell derivatives during development.

2021.09.27, DOI: 10.15252/embr.202152389

研究文章；小鼠，胚胎，心脏，神经嵴细胞，壁细胞，发育，scRNA-seq, smFISH; Wen Chen, Xuanyu Liu, Zhou Zhou , 中国医学科学院，北京协和医学院；中国

斑马鱼胎心空间分辨RNA-seq揭示Wnt/b-catenin信号在心率自主控制中的作用

Elife [IF: 7.616]

① 使用tomo-seq，结合高通量RNA-seq和组织定位，构建了首个斑马鱼心脏发育的高分辨空间转录组图谱，揭示了斑马鱼早期发育过程中起搏细胞群中Islet-1控制的Wnt/β-catenin信号表达分布。

② 分析tomo-seq数据，发现1,143个基因在心脏亚室中差异表达，确定了心室、心房、房室瓣和窦房区的特异性基因表达标记。

③ 在起搏器细胞发育中，活跃的Wnt/b-catenin信号依赖于Isl1的活性；功能分析表明，Wnt/b-cateni信号作用于Isl1的下游，通过调节起搏器细胞对副交感神经刺激的响应来控制心率。（彦丽/Lina）

Tomo-seq揭示胚胎心脏中不同的基因表达簇

Spatially resolved RNA-sequencing of the embryonic heart identifies a role for Wnt/b-catenin signaling in autonomic control of heart rate.

2018.02.05, Doi: 10.7554/eLife.31515

研究文章；斑马鱼，心脏，起搏细胞，Wnt/b-catenin信号，发育，tomo-seq；Silja Barbara Burkhard,Jeroen Bakkers; Hubrecht Institute-KNAW, University Medical Center Utrecht; Netherlands.

小鼠心脏祖细胞模式和分化的Hox依赖性协调

eLife [IF: 7.080]

① 利用两种转基因小鼠品系Hoxb1^GFP和Mef2c-AHF-Cre，通过RNA-seq和ATAC-seq，描述了促进心脏形成的第二心场（second heart field，SHF）祖细胞亚群的全基因转录组和染色质可及性图谱，并确定了Hoxb1是脊椎动物心脏前体细胞命运的关键决定因素。

② 在Mef2c-AHF谱系中强制激活Hoxb1会导致右心室发育不良；Hoxb1在SHF的无Hox结构域中的错误表达导致祖细胞的异常细胞身份并阻止心脏分化，最终导致细胞死亡。

③ 在Hoxa1^-/-中，从pSHF（posterior SHP）向静脉极添加祖细胞也受到损害；Hoxb1^-/-心脏导致背侧间充质突（dorsal mesenchymal protrusion，DMP）的异常发育，进而导致房室间隔缺损。（刘泽平）

SHF心脏祖细胞亚群的全基因组转录组和染色质可及性分析示意图

Hox-dependent coordination of mouse cardiac progenitor cell patterning and differentiation.

2020.08.17, DOI: 10.7554/eLife.55124

研究文章；小鼠，心脏，第二心场祖细胞，分化，Hoxb1, RNA-seq，ATAC-seq, RNAscope；Sonia Stefanovic, Brigitte Laforest, Stephane Zaffran; Aix Marseille Univ; France.

再生功能

Regeneration Function

斑马鱼心脏再生过程中激活的成纤维细胞状态的起源和功能

Nature Genetics [IF: 41.307]

① 基于scRNA-seq和空间分析，研究斑马鱼心脏再生过程中细胞活化状态的多样性，确定了促进心脏再生的特殊活化成纤维细胞状态，为调节脊椎动物心脏再生能力开辟了可能的途径。

② 对斑马鱼心脏损伤前后不同阶段的大约20万个解离细胞进行scRNA-seq，并结合Tomo-seq，观察到成纤维细胞和免疫细胞在损伤后强烈增加，并发现心脏的心外膜、心肌和心内膜的细胞类型之间存在一个亚结构。

③ 进一步分析，确定了心脏再生过程中具有潜在再生作用的三种成纤维细胞状态：col11a1a、col12a1a和nppc成纤维细胞；通过高通量谱系追踪，发现激活的成纤维细胞源自心外膜和心内膜。

④ Wnt信号对于心内膜成纤维细胞的激活是必需的，类似于所描述的Wnt在诱导小鼠内皮细胞向间充质细胞转化中的作用。（Lina）

实验设计流程图

Origin and function of activated fibroblast states during zebrafish heart regeneration.

2022.07.21; DOI: 10.1038/s41588-022-01129-5

研究文章；斑马鱼，心脏，成纤维细胞，再生，scRNA-seq，Tomo-seq；Bo Hu, Sara Lelek, Bastiaan Spanjaard, Daniela Panáková, Jan Philipp Junker; Berlin Institute for Medical Systems Biology, Max Delbrück Center for Molecular Medicine in the Helmholtz Association, DZHK (German Centre for Cardiovascular Research) partner site; Germany.

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