Nat Cardiovasc Res 南科大与哈佛医学院合作研究揭示Tbx5调控心房心肌细胞命运的表观遗传学机制

心房颤动作为临床上最常见的心律失常，其发病率逐年上升，严重影响人民生命健康。全基因组关联分析(GWAS)鉴定了一系列与房颤相关的基因及非编码区变异，有趣的是一部分变异造成心房心肌细胞功能紊乱，但对于心室心肌细胞无影响或影响较弱。这主要是由腔室特异性心肌细胞的差异所影响。然而，目前关于腔室特异性心肌细胞命运决定及维持的机制研究较少。

2023年10月12日，南方科技大学医学院曹阳坡课题组与哈佛医学院波士顿儿童医院William T. Pu教授课题组在Nature Cardiovascular Research上发表了题为“Tbx5 maintains atrial identity in postnatal cardiomyocytes by regulating an atrial specific enhancer network”的文章，揭示了转录因子Tbx5通过调控心房特异性增强子网络维持心房心肌细胞命运的表观遗传学机制。该工作被选为同期杂志亮点文章。

Tbx5作为调控心脏发育的关键转录因子，在房颤的发生发展中发挥重要作用。课题组前期工作通过绘制心脏腔室特异性、多维度的染色质景图发现，Tbx5 motif特异性富集于心房增强子网络，其缺失导致心房特异性增强子活性降低，而心室特异性增强子在心房被过度激活(Circulation,2023)。本课题中，研究人员通过Nppa启动子驱动心房特异性表达的Cre, 成功构建了Tbx5心房心肌细胞特异性敲除的小鼠模型，结合电生理研究发现，心房心肌细胞Tbx5功能失活足以诱发房颤的发生。进一步通过转录组数据分析，发现Tbx5缺失可以反转心房心室基因表达谱。结合自主开发的Machine learning机器学习算法(CEFCIG)，证实了Tbx5缺失显著下调心房identity基因的表达，而心室identity基因则显著富集于心房心肌细胞，这其中包括一系列离子通道相关基因的表达紊乱，提示Tbx5缺失诱导心房心肌细胞心室化，进而诱发房颤的发生。

为了进一步研究Tbx5调控心房心肌细胞命运的作用机制，研究人员结合单细胞多组学(snRNA-seq+snATAC-seq)技术，研究Tbx5缺失后心房心肌细胞不同亚群转录组和染色质可及性的变化。研究结果鉴定了一群高表达心肌结构蛋白和离子通道蛋白的心房心肌细胞，在Tbx5缺失后，该亚群腔室特异性基因表达谱反转最显著。此外，单细胞染色质可及性数据显示，Tbx5缺失导致大量心房心肌细胞增强子区域染色质开放程度显著降低。通过基于AAV9的在体增强子报告分析，研究人员进一步证实了Tbx5缺失导致心房增强子活性下降。这表明Tbx5通过调控染色质可及性调控心房增强子活性，进而调控心房特异性基因表达。

增强子作为基因表达调控的远端元件，与靶基因的线性距离可长达1百万个碱基对。染色质通过空间折叠(染色质环)帮助增强子与启动子在空间上形成距离较近的特定结构域，介导增强子与靶基因的相互作用。为了研究三维基因组在调控Tbx5依赖的增强子网络中的作用，研究人员绘制了增强子-启动子互作图谱。他们发现，Tbx5缺失导致心房特异性增强子与心房特异性基因的互作减弱或消失，提示Tbx5通过调控三维基因组结构来维持心房增强子与其靶基因网络的稳定，从而保持心房心肌细胞特异性。

综上，研究人员通过构建单细胞多组学、表观遗传组学、三维基因组学图谱，结合机器学习、多组学整合分析，系统地阐明了转录因子Tbx5介导的基因调控网络在心房心肌细胞命运调控及房颤发生发展中的作用及其机制。该工作将推动心脏发育生物学领域的进展，同时为我们理解房颤的发生发展提供新的视角。

哈佛大学附属波士顿儿童医院心血管研究中心博士后Mason E. Sweat和南方科技大学医学院曹阳坡为本文第一作者，该研究中心主任Willam T. Pu教授为本文通讯作者。该研究同时得到哈佛医学院Christine E. Seidman课题组和芝加哥大学Ivan P. Moskowitz课题组的大力支持。

南方科技大学曹阳坡课题组诚聘博士后研究员：曹阳坡，南方科技大学医学院药理系助理教授，博士生导师。国家自然科学基金优秀青年基金项目(海外)获得者。2020年博士毕业于北京大学，2020年至2023年在美国哈佛医学院波士顿儿童医院从事博士后研究工作，2023年6月加入南方科技大学医学院药理学系。课题组主要从事心脏发育与疾病的转录调控研究，结合分子生物学、细胞生物学、表观遗传学等手段研究心脏生理及病理生理(心肌肥厚、心衰、房颤等)的发病机制及治疗靶点的开发。近5年内，曹阳坡博士以第一作者(或共同一作)在Circulation、Circulation Research、Nat Cardiovasc Res、PNAS、Dev Cell等主流杂志发表多篇论文。现因课题组发展需要，诚聘博士后研究员数名，有意者请发简历至caoyp@sustech.edu.cn。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s44161-023-00334-7