Nat Cardiovas Res | 出生后的心脏如何“长大”？空间图谱与体内单细胞筛选揭示心肌成熟机制|内皮|微环境|心肌|心脏|细胞

对于复杂的多细胞器官，发育和功能建立从来不只是单个细胞内部基因程序变化的结果。细胞处在什么位置、与哪些邻居接触、接受怎样的局部信号，以及这些信号如何最终转化为真实的组织功能，共同决定了器官的状态。出生后的心脏，为研究这一普遍的生物学问题提供了一个典型而清晰的场景。

出生后的心脏，并不是一个简单缩小版的成年心脏。在出生后的短短数周内，心肌细胞需要经历一系列深刻变化：逐渐停止增殖，细胞体积增大，肌节和 T 管结构进一步完善，同时建立更加成熟的电生理、收缩和能量代谢功能。只有完成这些变化，心脏才能适应出生后迅速增加的循环负荷。

过去，人们更多从心肌细胞自身的基因表达程序来理解这一成熟过程。但越来越多的研究提示，细胞所处的组织环境同样重要。对于心肌细胞而言，它位于心脏的什么位置，周围有哪些血管、成纤维细胞和其他细胞，以及这些邻近细胞发出了什么信号，都可能影响其最终如何成熟。这种“细胞内在程序 + 局部微环境”的共同调控，也可能是理解其他器官发育、稳态和疾病的重要切入点。

一个普遍的技术难题也由此出现：传统单细胞测序能够告诉我们“有哪些细胞、表达了哪些基因”，却往往丢失细胞原本所在的空间位置；空间组学可以把细胞重新放回组织地图，却主要提供相关性；而常规动物基因敲除虽然能够验证功能，又很难一次系统检测大量候选基因。如何把“空间位置”“细胞通讯”和“体内因果功能”真正连接起来，是复杂器官研究面临的共同挑战。

能否既看到一个器官中的细胞状态发生在“何时、何地”，又能进一步在原生组织环境中回答“哪些基因真正发挥了作用”？

近日，北卡罗来纳大学教堂山分校钱莉和刘建东研究团队在Nature Cardiovascular Research发表题为Spatially guided in vivo single-cell functional genomics of postnatal heart的研究。研究团队以出生后心脏为模型，建立了一套从时空图谱、细胞通讯分析到体内单细胞功能筛选的研究体系，为连接复杂组织中的“空间相关性”与“基因因果功能”提供了新的思路。

心肌成熟并不是整个心脏“同步进行”

研究团队首先希望知道，出生后的心脏究竟是如何在时间和空间上逐渐成熟的。

他们结合单核 RNA 测序和 Xenium 空间转录组技术，对小鼠出生后第 0、7、14 和 21 天的心脏进行了系统分析，获得约 6.7 万个单核转录组和 40.2 万个具有空间位置信息的细胞。

这张图谱显示，出生后的心脏并不是一个均一的组织。不同区域中的心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞等具有不同的分子状态和空间分布。进一步分析显示，研究人员可以将出生后心脏划分为 12 类具有不同细胞组成和信号特征的空间生态位。随着心脏生长、冠状血管扩张和心肌成熟，这些空间生态位也在不断重塑。

其中一个特别有意思的现象来自心肌细胞和血管之间的关系。研究人员发现，在出生后第 7 天，距离毛细血管内皮细胞、增殖性内皮细胞和周细胞更近的心肌细胞，往往表现出更高的成熟程度。

这意味着，出生后快速扩张的冠状微血管网络可能不只是负责为心肌输送氧气和营养，它还可能通过局部细胞间信号，参与“组织”周围心肌细胞的成熟。换句话说，心肌细胞何时成熟，可能与它身处怎样的局部微环境密切相关。

出生后心脏的单核转录组与空间转录组分析框架及主要时空图谱

从“谁在谁旁边”，进一步追踪“谁在给谁发信号”

知道哪些细胞彼此靠近，只是第一步。研究团队接下来希望回答一个更具体的问题：这些邻近细胞之间到底通过哪些信号相互交流，这些信号又如何进一步改变心肌细胞内部的基因调控程序？

为此，研究人员开发了 SigNET（Signaling-to-transcription regulatory NETwork）分析框架，将空间上的配体受体信号与细胞内部的转录因子调控网络连接起来。

这一分析提示，毛细血管内皮细胞与邻近心肌细胞之间会随着出生后发育逐渐建立 PTPRM-PTPRM 接触信号。在心肌细胞中，这一信号可能进一步与 MEIS1 等转录调控程序相联系，从而促进心肌细胞退出细胞周期并进入成熟状态。

心肌成熟并不是心肌细胞自己完成的一套“内部程序”，而是细胞内在基因调控与周围组织微环境共同作用的结果。

从空间相关性走向体内因果验证

空间组学可以发现大量与某一细胞状态或组织过程相关的候选基因，但“相关”并不等于“因果”。真正想知道哪些基因在活体组织中发挥功能，就需要直接扰动这些基因，并在原生微环境中观察细胞随后发生了什么变化。对于心脏成熟，这意味着需要在活体心脏中完成这样的功能验证。

然而，这在心脏中并不容易。成熟心肌细胞体积大、结构复杂，很难像许多其他细胞一样完整分离出来，因此传统依赖活细胞捕获的 Perturb-seq 很难直接应用于出生后心脏。类似的挑战也存在于许多细胞脆弱、体积较大或难以完整解离的实体器官。

为了解决这一问题，团队开发了 PIP-seq（Probe-based Indel-detectable in vivo Perturb-seq）。简单来说，这一方法利用 AAV9 和 CRISPR 在活体心脏中扰动候选基因，随后从心肌细胞核中同时读取三个关键信息：这个细胞接受了哪条 sgRNA、基因是否真正被编辑，以及编辑以后整个转录程序发生了什么变化。

这样一来，研究人员就不必把完整心肌细胞从原来的组织环境中“拆出来”，而是可以利用细胞核作为稳定的读取单元，在接近正常生理环境的条件下同时检测多个基因的功能。更广泛地看，这种以细胞核为基础的设计也提高了该策略向其他难以进行完整活细胞分离的组织扩展的可能性。

一次体内筛选，找到一批新的心肌成熟调控因子

利用 PIP-seq，研究团队对 50 个候选调控因子进行了混合体内筛选，并分析了 5,706 个成功获得 sgRNA 信息的心肌细胞核。除已知阳性对照外，筛选进一步鉴定出 21 个能够影响心肌成熟相关转录程序的调控因子。这些基因涉及肌节组装、电生理转换、染色质调控和能量代谢等多个方面。

研究人员随后选择此前在心肌成熟中功能并不明确的转录调控因子 RREB1 进行深入验证。

结果发现，缺失 Rreb1 后，心肌细胞不仅在转录水平发生变化，还出现了一系列真正的成熟障碍，包括细胞纵向生长不足、T 管结构紊乱、电生理和收缩异常，以及线粒体呼吸能力下降。

更重要的是，这些细胞层面的异常最终也反映到了整个心脏的功能上，Rreb1 缺失小鼠的心脏射血分数和短轴缩短率均明显下降。进一步分析提示，RREB1 可能通过维持 THRA 依赖的甲状腺激素响应程序，协调整个心肌细胞的结构、电生理和代谢成熟。

这也说明，PIP-seq 筛选获得的候选基因并不只是统计意义上的“相关基因”，其中确实包含能够影响心肌成熟和心脏功能的重要调控因子。

从心脏出发，走向更广泛的体内功能基因组学

近年来，单细胞和空间组学技术让研究人员能够以前所未有的精度观察组织发育、稳态和疾病过程。但对于不同器官，一个共同的问题始终存在：看到一个基因在哪里表达、与哪类细胞状态相关，并不能告诉我们它是否真正决定了这一状态。下一步需要的是把组织地图上的“候选机制”转化为可以在体内直接检验的因果问题。

这项研究以出生后心脏为例，尝试把这一缺口连接起来。研究团队首先利用单细胞和空间转录组建立时空图谱，从中发现潜在的细胞状态、空间生态位和局部信号；随后通过 SigNET 将细胞间通讯与细胞内部的转录调控联系起来；最后利用 PIP-seq，在活体组织中对候选基因进行并行功能验证。其核心并不是某一种单独技术，而是一条“空间发现 → 机制推断 → 体内验证”的完整研究路径。

先知道一个细胞“在哪里、和谁交流”，再直接检验“哪些基因真正决定它的状态和功能”。

因此，这项工作的意义不仅在于揭示了一批新的心肌成熟调控机制，也在于提供了一个更具普适性的研究框架。出生后心脏在这里可以被看作一个示范系统，用于说明如何把空间组学提出的候选机制进一步推进到体内、单细胞分辨率的功能验证。

一个可以被改造和适配的系统

从方法学上看，这套体系具有模块化特征，并不必固定在心脏或 AAV9。针对不同器官，可以更换组织适配的递送载体或靶向策略、细胞类型特异的启动子和富集方法、CRISPR 候选库及核转录组读取方案。因此，类似的“空间定位 + 体内扰动 + 单细胞读取”策略原则上可向肝脏、肾脏、肺、胰腺、脑等内部器官拓展。当然，这些应用并未在本研究中验证，每一种器官仍需重新优化递送、编辑和细胞类型覆盖。

这一框架既可用于正常状态，如器官发育、成熟、稳态、衰老和损伤后再生，也可用于疾病状态。研究者可先用空间组学定位病变相关的细胞生态位和异常通讯，再在原位环境中扰动候选基因，从而区分真正的驱动因素与伴随变化。对于纤维化、炎症性损伤、代谢紊乱、器官重塑及肿瘤微环境等问题，这种从“在哪里发生”进一步追问“什么导致它发生”的策略可能尤其有价值。

数据资源与作者信息

为了方便研究人员进一步探索这些数据，作者团队建立了出生后心脏在线交互式图谱 Postnatal Heart Atlas，可以查询不同基因、转录因子以及细胞信号在出生后心脏中的时空表达和活性。

Postnatal Heart Atlas： https://postnatalheartatlas.org

该研究由北卡罗来纳大学教堂山分校团队合作完成。王昊飞、董严涵和宋怡然为共同第一作者，钱莉和刘建东为共同通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44161-026-00861-z

第一作者王昊飞博士将于 2027 年 1 月在美国费城儿童医院（Children's Hospital of Philadelphia，CHOP）和宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）建立独立实验室。未来实验室将围绕心脏发育、心肌细胞成熟、心血管再生及疾病机制开展研究，并综合运用干细胞模型、单细胞与空间组学、CRISPR 筛选和在体功能基因组学等技术。

实验室现诚聘博士后研究人员。欢迎具有心血管生物学、发育与再生生物学、干细胞生物学、分子与细胞生物学、功能基因组学、生物信息学或相关研究背景的申请者。具有扎实科研训练、独立思考能力和良好英文交流与写作能力，并对开展跨学科研究具有热情者优先考虑。

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