心臟是哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中形成的第一個(gè)功能器官，由四個(gè)腔室組成。生命從早期胚胎形成到成體的每一刻都需要心臟不間斷地發(fā)揮作用。近年來(lái)，與心臟相關(guān)的疾病已經(jīng)成為危害人類健康的重要原因。心臟發(fā)育及心臟疾病相關(guān)的研究迫在眉睫，而各種高通量測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)為心臟有關(guān)的研究帶來(lái)了新的曙光。以往的研究大多報(bào)道單組學(xué)的心臟圖譜，對(duì)哺乳動(dòng)物心臟多組學(xué)之間的互作及調(diào)控仍然知之甚少。

論文截圖

2021年5月18日，北京大學(xué)未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）、生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)學(xué)院文路副研究員與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院宋雷主任醫(yī)師、王繼征研究員合作，在PLOS Biology雜志發(fā)表了題為“Integrated transcriptomics and epigenomics reveal chamber-specific and species-specific characteristics of human and mouse hearts”的研究論文。該研究對(duì)11例成年人健康心臟樣本、3例人類胚胎健康心臟樣本、3組小鼠健康心臟樣本的四腔室進(jìn)行核小體占位和甲基化組測(cè)序（Nucleosome occupancy and methylome sequencing，NOMe-seq）及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，首次整合分析了人類和小鼠健康心臟四腔室的轉(zhuǎn)錄組、甲基化組和染色質(zhì)狀態(tài)組（圖1），為深入理解心臟多組學(xué)腔室特異性及物種特異性生物學(xué)特征提供了新的視角。

圖1 實(shí)驗(yàn)取樣及流程示意圖

該研究發(fā)現(xiàn)，成年人心臟心房與心室的轉(zhuǎn)錄組及DNA甲基化組均存在明顯差別，鑒定得到了一系列分別在心房和心室中高表達(dá)的差異表達(dá)基因，以及多個(gè)在心房與心室間基因體DNA甲基化呈現(xiàn)顯著差異的重要基因（圖2A）。在染色質(zhì)可及性層面，成年人心臟的心房和心室間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)全局水平的區(qū)別。在對(duì)人類胚胎心臟和成年人心臟做比較時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)錄組及DNA甲基化組水平上，二者呈現(xiàn)明顯的腔室特異性和發(fā)育階段特異性（圖2B），染色質(zhì)可及性水平也存在發(fā)育階段特異性。在人類心臟中鑒定得到的176個(gè)新的長(zhǎng)非編碼RNA（lncRNA）在胚胎及成體或心臟四腔室間表達(dá)水平不同（圖2C）；房顫、肥厚型心肌病和先天性心臟病相關(guān)的基因也在人類胚胎和成年人心臟中呈現(xiàn)不同的時(shí)空表達(dá)模式。這表明心臟在多種組學(xué)層面上通過(guò)精確的時(shí)空表達(dá)和調(diào)控實(shí)現(xiàn)生理穩(wěn)態(tài)。

圖2 成年人心房與心室間基因體DNA甲基化呈現(xiàn)顯著差異的重要基因（A）；人類心臟四腔室基于甲基化組（B）和新lncRNA（C）的分類圖

小鼠是研究心臟發(fā)育和心臟疾病最廣泛使用的模式動(dòng)物。雖然人類和小鼠心臟解剖學(xué)結(jié)構(gòu)類似，但是心臟大小和電生理特點(diǎn)存在明顯區(qū)別，早先的研究報(bào)道人類和小鼠的心臟對(duì)一些心血管藥物響應(yīng)不同，所以系統(tǒng)比較人類和小鼠心臟各種組學(xué)層面的異同點(diǎn)、進(jìn)行跨物種分析十分必要。該研究發(fā)現(xiàn)，人類和小鼠心臟共享一些重要的心房與心室間的差異表達(dá)基因（圖3）。小鼠心臟的甲基化組也和人類心臟類似，存在明顯的腔室特異性。Myl2和Myl3的基因體在小鼠和人類心臟中都呈現(xiàn)心房中甲基化水平更高的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序的富集分析也表明，人鼠間共享一些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，這些轉(zhuǎn)錄因子組成了人鼠間心臟保守的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，各物種也有自己特異性激活的轉(zhuǎn)錄因子。

圖3 人鼠共享的心房心室間差異基因（A）和物種特異差異基因?qū)?yīng)的基因功能富集分析（B）

此外，該研究也對(duì)心臟中染色質(zhì)可及性、甲基化組和轉(zhuǎn)錄組之間的關(guān)系進(jìn)行了初步的探討。研究發(fā)現(xiàn)，與早先的報(bào)道類似，人類胚胎及成年人心臟啟動(dòng)子區(qū)的染色質(zhì)可及性水平與基因表達(dá)水平呈正相關(guān)性，甲基化水平與基因表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)性（圖4A）。值得注意的是，在基因體上這種相關(guān)性不是單調(diào)的。人類胚胎及成年人心臟樣品基因體甲基化水平與基因表達(dá)水平呈“鐘形分布”（圖4B）。這種分布模式背后的詳細(xì)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖4 人心臟多組學(xué)在啟動(dòng)子區(qū)（A）和在基因體（B）的關(guān)系

綜上所述，該研究首次同時(shí)繪制了人鼠健康心臟四腔室的轉(zhuǎn)錄組、甲基化組和染色質(zhì)開(kāi)放閉合狀態(tài)的多組學(xué)圖譜，揭示了各種組學(xué)在人鼠心臟中的時(shí)空特性。該多組學(xué)圖譜成為目前心臟其它組學(xué)圖譜的重要補(bǔ)充，為心臟發(fā)育和疾病機(jī)制研究、生物標(biāo)志物篩選以及治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)夯實(shí)了基礎(chǔ)。

北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院博士研究生高俊鵬和前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生鄭宇軒為該研究論文的共同第一作者。文路與宋雷、王繼征為該論文的共同通訊作者。該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的支持。

來(lái)源：北京大學(xué)