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相信很多人都不明白一件事,长这么大,啥病没听过?可咋偏偏就没听过心癌呢?

 

事实上,心脏生长发育这事只存在胚胎期,那时的心肌细胞可以分裂增殖,而当胎儿出生后,心肌细胞便会退出细胞周期无法增殖,因此心脏不会出现肿瘤[1]。


但是,这一机制在给人体带来潜在益处的同时也存在着显而易见的危害,当心脏受损,提供不了新细胞时,拿什么来修复我们受损的组织

 

不过现在,来自美国格莱斯顿研究所的研究人员带来了新的希望,他们识别了四个控制细胞分裂周期的基因,当这四个基因结合在一起能使15-20%成熟的心肌细胞分裂增殖,同时能显著改善心梗后心脏功能。研究成果发表在近期《细胞》杂志中[2]。


 四种基因(CDK1:CCNB和CDK4:CCND)使心肌细胞分裂增殖并改善心梗后心肌功能


大自然是人类最好的老师,这句话可不是瞎说的。


为了找到让心脏再生的方法,科学家们环顾了一下四周,发现斑马鱼和许多爬行动物的心脏在损伤后可以重新再生,就因为它们的成熟细胞可以重新进入细胞周期,进而分裂增殖[3],这让他们看到了一丝曙光。


然而,科学家们长达几十年的研究仅激活了0.5%的心肌细胞分裂增殖[4],在去年,第三军医大学大坪医院心血管内科主任曾春雨团队历时6年将成年心肌细胞增殖比率提高到7.0%[5]。虽然已是重大突破,但心肌细胞再生领域科学家们并没有停下脚步。

 

格莱斯顿研究所的研究人员通过对胚胎期、出生第一天、以及出生后8周小鼠的心脏进行转录组分析并比较了主要细胞周期调节因子的表达水平后(小鼠在出生7天后心肌细胞停止分裂),他们确定并克隆了15个在心肌细胞增殖阶段(胎儿/新生儿期)和非增殖(成年)间差异最大的调控基因,并使用腺病毒做载体,感染了心肌细胞已经停止分裂的小鼠。


随后发现,细胞周期蛋白依赖性激酶1(CDK1),细胞周期蛋白B1(CCNB)和极光激酶B(AURKB)最具有使心肌细胞增殖的潜力。而将这三种基因结合在48小时显著增强了心肌细胞的增殖能力,将心肌细胞的自我修复能力提高了近200倍


 CDK1、CCNB、AURKB最具有使心肌细胞增殖潜力


但这样一个组合能否持续诱导小鼠和人类诱导多能干细胞源性心肌细胞再生呢?


遗憾的是,验证发现,虽然大部分细胞在第一个48-72小时内完成了细胞分裂,但随后很快就死亡了


随后,研究人员发现,这是因为这三种调控因子主要促进细胞周期里G2/M期进展,让细胞在错误的时机进行了错误的分裂。而正常情况下,细胞分裂需要从G1期开始。


通过寻找促使G1期开始的基因并系统地测试调控细胞周期的组合后,他们最终识别了CDK1/CCNB和CDK4/CCND的组合可以最大效率地促使人类诱导多能干细胞源性心肌细胞的分裂增殖,增值比率达20%,细胞分裂后仍能存活,在出生7天的小鼠心肌细胞中也得到了证实。这一组合被称为4F。


Deepak Srivastava博士

 

那么4F诱导心梗小鼠的心肌细胞增殖效果究竟如何?可喜的是,向4个月小鼠心肌梗死后的心肌内注射腺病毒编码的4F可诱导超过15%的心肌细胞增殖。同时还能增强小鼠的心肌功能。虽然在疤痕形成前立即治疗有助于改善心脏功能,但研究发现即使在心梗后1周开始治疗,也有惊人的功效,小鼠疤痕面积减少50%,心肌厚度增加50%


为了简化该技术中所需的基因,研究团队分析了可能增强心肌细胞增殖的生长因子,结果发现Wee1抑制剂可促进G2/M期进展,TGFβ抑制剂可促进G1期进展,使用这两种抑制剂代替4F中的两种基因(CDK1和CCNB)诱导心肌细胞增殖的效率与4F相似同时,这一简化组合(2F2i)对小鼠心梗后心脏功能的改善效果与4F组合相同


2F2i与4F组合在小鼠心梗后心脏功能的增强效果相同


格莱斯顿研究所所长Deepak Srivastava博士表示,由于这四种基因并不是心脏所特有的,这样一个强大的再生方法也可诱导其他类型的成年细胞再次分裂如神经细胞、耳部毛细胞、视网膜细胞等。或许有朝一日,我们不仅能再生心肌组织治疗心脏损伤,还能治疗脑损伤,听力损失和失明。



参考资料:

[1] .Lestuzzi, C. (2016). Primary tumors of the heart. Curr. Opin. Cardiol. 31, 593–598.

[2] Mohamed, T., et al., Regulation of Cell Cycle to Stimulate Adult Cardiomyocyte Proliferation and Cardiac Regeneration. Cell, 2018.

[3] Jopling, C., Sleep, E., Raya, M., Martı´, M., Raya, A., and Izpisu ´ a Belmonte, J.C.

(2010) . Zebrafish heart regeneration occurs by cardiomyocyte dedifferentiation and proliferation. Nature 464, 606–609

[4] Zebrowski, D.C., Becker, R., and Engel, F.B. (2016). Towards regenerating the mammalian heart: challenges in evaluating experimentally induced adult mammalian cardiomyocyte proliferation. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol.310, H1045–H1054.

[5] Wang, W.E., et al., Dedifferentiation, Proliferation, and Redifferentiation of Adult Mammalian Cardiomyocytes After Ischemic Injury. Circulation, 2017. 136(9): p. 834-848.


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