结蛋白中间丝网络通过染色质景观调控心肌细胞分化与成熟的分子机制

《Cell Death & Disease》：Molecular insights into the role of desmin intermediate filament network in chromatin landscape, cardiomyocyte differentiation, and maturation

本研究聚焦结蛋白(desmin)中间丝网络在心脏发育中的关键作用。研究人员通过直接重编程技术发现，结蛋白缺失会导致染色质结构紊乱、Notch1信号通路异常，进而影响心肌前体细胞(CPC)存活和心肌细胞成熟。该研究首次揭示了细胞骨架蛋白通过调控三维基因组结构影响心脏发育的新机制，为先天性心脏病治疗提供了新靶点。

　　

心脏细胞骨架是维持心肌细胞结构和功能完整性的关键，其中结蛋白(desmin)中间丝网络因其早期表达和特殊的亚细胞分布，被认为在机械信号传导和心脏发育中发挥重要作用。然而，结蛋白如何影响心肌细胞分化和成熟的分子机制尚不清楚。传统观点认为中间丝仅起结构支撑作用，但越来越多的证据表明它们可能参与基因表达调控。特别是结蛋白通过与核纤层蛋白(lamin)的直接或间接连接，形成从细胞外基质到核纤层的连续网络，这提示其可能作为机械传感器，将细胞外机械力转化为核内基因调控信号。

在《Cell Death and Disease》发表的最新研究中，Tsikitis等人系统阐述了结蛋白在心脏发育过程中的多重角色。研究人员采用直接重编程技术，将心脏成纤维细胞转化为诱导心肌细胞(iCMs)，结合多种组学分析手段，揭示了结蛋白通过调控染色质结构和基因表达影响心脏发育的新机制。

研究采用的主要技术方法包括：利用表达心脏特异性转录因子Gata4、Mef2c和Tbx5(GMT)的直接重编程技术；从MHC-GFP转基因小鼠分离心脏成纤维细胞和心肌细胞进行体外培养；通过RNA测序、染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)和染色质构象捕获(Hi-C)分析基因表达和染色质结构变化；使用流式细胞术分析心脏前体细胞群体；通过钙成像技术评估心肌细胞功能。

结蛋白增强心脏转分化效率

研究人员发现，在GMT重编程因子中加入结蛋白(DGMT)可使心脏成纤维细胞向诱导心肌细胞(iCMs)的转化效率提高约50%。有趣的是，虽然结蛋白缺失不影响转分化的启动，但显著降低成熟标志物肌球蛋白重链(MHC)的表达水平，表明结蛋白主要影响心肌细胞成熟而非命运决定。

结蛋白正向调控Notch通路

转录组分析显示，结蛋白过表达显著上调Notch1、Notch2和Notch3表达，同时下调Notch1负调控因子Fkbp1a。在结蛋白缺失的iCMs中，Notch通路基因表达持续受损至转分化后14天，但在21天恢复正常，表明结蛋白对Notch信号的调控具有时间特异性。游泳运动应激实验进一步证实，成年结蛋白缺失小鼠心脏在应激条件下Notch1和YAP蛋白水平显著降低，提示结蛋白参与心脏应激修复通路调控。

结蛋白缺失导致心脏发育缺陷

胚胎心脏组织学分析发现，结蛋白缺失导致E14.5胚胎心脏小梁增多且排列紊乱，心室壁非致密化，表现出类似左心室致密化不全的心脏畸形特征。同时，结蛋白缺失胚胎体型显著小于对照组，表明结蛋白缺失影响整体胚胎发育。

结蛋白在心脏前体细胞中的表达与调控

流式细胞术分析显示，结蛋白在E7.5胚胎心脏新月区/第一心场的Pdgfra⁺/Gfra2⁺/Kdr⁺心脏前体细胞(CPCs)中即有表达，且超过90%的CPCs表达结蛋白。结蛋白缺失导致CPCs群体减少50%以上，心脏中GFP阳性细胞比例下降近三倍，证明结蛋白对CPCs的维持和心肌细胞分化至关重要。

结蛋白促进心肌细胞成熟

免疫荧光分析显示，结蛋白缺失的iCMs中α-辅肌动蛋白(α-actinin)、桥粒斑蛋白(desmoplakin)和连接蛋白43(connexin43)表达量和定位异常。结蛋白缺失导致闰盘结构破坏，细胞间连接蛋白减少3-10倍。超微结构分析证实结蛋白缺失显著延缓肌原纤维形成和Z盘组装。钙成像技术显示结蛋白缺失iCMs钙瞬变幅度降低且不规则，表明收缩功能受损。

结蛋白影响染色质结构和基因表达

组学分析揭示结蛋白缺失导致成年心肌细胞中2094个基因上调和2138个基因下调。H3K27Ac ChIP-seq显示结蛋白缺失改变活性染色质景观，特异性影响心脏发育、代谢和收缩相关基因的组蛋白修饰模式。Hi-C分析发现结蛋白缺失改变染色质A/B区室化，尤其影响Notch1、α-actinin等心脏关键基因的染色质三维结构。这些变化在发育早期和应激条件下最为显著。

该研究首次系统阐明结蛋白通过调控三维基因组结构影响心脏发育的全新机制。研究证明结蛋白不仅作为结构蛋白维持细胞完整性，更重要的是作为机械信号传导分子，通过连接细胞外基质与核纤层，调节染色质结构和基因表达程序。结蛋白对Notch等关键信号通路的时空特异性调控，以及对心脏前体细胞维持和分化的影响，为理解先天性心脏病发病机制提供了新视角。

研究建立的直接重编程模型成功模拟了心脏发育过程，为研究人类心脏疾病提供了可靠平台。发现结蛋白通过影响染色质构象调控基因表达，拓展了对细胞骨架功能的认识，为开发针对结蛋白相关心肌病的新疗法奠定了理论基础。这些发现对心脏再生医学和先天性心脏病治疗具有重要指导意义。