综述：心血管发育与再生中的倍性调控

这篇综述深入探讨了体细胞多倍化（polyploidy）在心脏发育和再生中的关键作用，系统总结了跨物种心肌细胞多倍化的模式、分子机制及其与心脏再生能力的负相关性。作者聚焦细胞周期调控因子（如CDK1、ECT2）、代谢重编程（如脂肪酸氧化）和微环境因素（如ECM刚度），揭示了多倍化作为增殖屏障的病理意义，为心脏再生治疗提供了新靶点。

　　

1. 引言

倍性（Ploidy）指细胞中染色体组的数量，多倍化可通过核内基因组复制或多核化实现。在哺乳动物心脏中，胚胎心肌细胞主要为二倍体，随着成熟逐渐失去分裂能力并转化为多倍体。与斑马鱼等低等脊椎动物不同，多倍体心肌细胞普遍存在于人类和小鼠等物种中，但其程度、时机和模式存在显著物种差异。

1.1 心肌细胞多倍化的模式与时机

模式：多倍化主要通过核内有丝分裂（endomitosis）实现。典型细胞周期中，S期DNA复制后需经历染色体分离（karyokinesis）和胞质分裂（cytokinesis），而核内有丝分裂的缺陷导致单核多倍体（karyokinesis缺陷）或多核细胞（cytokinesis缺陷）。例如：

• 小鼠：出生后一周内80%心肌细胞变为双核（2x2n），因ANLN、RHOA等胞质分裂蛋白定位异常。
• 人类：75%心肌细胞为单核，其中半数呈多倍体（高达16n），提示核分裂缺陷主导。
• 猪：出生后经历多轮胞质分裂失败，6月龄时出现含6-8个核的细胞。

时机：物种间差异显著。人类心肌细胞在10岁前保持二倍体，20岁时倍性增加1.7倍；小鼠出生后7天内快速双核化；绵羊则在出生前启动多倍化。值得注意的是，过早多倍化与人类扩张型心肌病、法洛四联症等发育缺陷相关。

2. 心肌细胞多倍化的分子机制

2.1 细胞内在机制

• 细胞周期调控：CCNG1通过激活检查点促进多核化，而CDK1/4、CCNB1/D1下调抑制分裂。过表达CDK1/4/CCNB1/D1组合可诱导成体心肌细胞分裂。
• 信号通路：Hippo通路活性在出生后激增，其效应因子YAP激活可重启细胞周期；ERBB2下调则通过NEUREGULIN 1信号抑制胞质分裂。
• 代谢调控：出生后脂肪酸氧化增加导致ROS积累，触发DNA损伤反应并促进多倍化。抑制PDK4（丙酮酸脱氢酶激酶4）可增强糖酵解，减少多倍体形成。

2.2 细胞外在机制

• 甲状腺激素：通过受体α直接调控CPT2（肉碱棕榈酰转移酶2）等线粒体基因，促进β氧化。抑制甲状腺激素信号可增加二倍体心肌细胞比例。
• 氧浓度：出生后氧分压升高导致ROS生成，激活p53依赖的DNA损伤通路。
• 细胞外基质（ECM）：硬度增加（如2 MPa vs 5 kPa）会诱导肌节排列并抑制胞质分裂。胚胎期ECM蛋白SLIT2/NPNT可促进分裂。

3. 多倍化与心脏再生

3.1 多倍化抑制再生能力

• 跨物种证据：斑马鱼（>95%二倍体）可完全再生心脏，而成年小鼠（>90%多倍体）仅能纤维化修复。
• 实验干预：斑马鱼中诱导ECT2缺陷导致多倍化后，再生能力丧失；小鼠过表达LMNB2（核纤层蛋白B2）可增加二倍体细胞并改善冷冻损伤后修复。

3.2 成体心肌细胞再进入周期的困境

心肌梗死后的增殖心肌细胞多因核分裂缺陷形成单核多倍体（如1x4n），而非新生二倍体细胞。E2F7/8双敲除小鼠虽增加10倍二倍体细胞，但损伤后仍以多倍化告终，提示单纯激活周期不足以实现再生。

3.3 多倍体细胞的增殖潜力

少数研究显示多倍体心肌细胞在特定条件下可分裂：

• 原代大鼠双核心肌细胞在共培养中可双极分裂。
• 过表达OSKM（OCT4/SOX2/KLF4/c-MYC）诱导重编程后出现增殖。

4. 展望

未来需解析非心肌细胞（如成纤维细胞）对多倍化的调控，探索不同倍性模式的功能差异，并开发单细胞多组学技术以揭示二倍体与多倍体细胞的深层差异。这些研究将为心脏再生治疗提供新策略。