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撰文 | Qi
在发生心肌梗塞后，哺乳动物的心脏会失去数百万个心肌细胞(CM)，取而代之的是永久性纤维化疤痕。研究人员在斑马鱼、蝾螈和新生哺乳动物心脏受伤后观察到CM增殖现象，增殖之前会发生CM去分化，这会导致肌节分解、代谢重编程和胚胎基因的再表达。如果这种去分化和增殖状态持续下去，将可能减少CM融入心脏并影响心脏功能。因此，需要研究机体如何将受损心脏恢复到原始大小并维持正常功能的机制。
近日，来自荷兰乌得勒支大学医学中心的Jeroen Bakkers团队在Science杂志上发表了一篇题为Interplay between calcium and sarcomeres directs cardiomyocyte maturation during regeneration的文章，他们发现负责调节钙通量和兴奋-收缩偶联的心脏dyad结构对于受损后心肌细胞的再分化至关重要，其关键组分Lrrc10充当心肌细胞增殖的负调节因子，可用于预防心脏肥大，且这一功能在哺乳动物心肌细胞中是保守的。总之，这项工作强调了利用这一机制来构建具有正常功能的再生心脏中的重要性。
心肌细胞中钙离子在胞质与肌质网之间穿梭是实现心肌兴奋-收缩耦联的关键步骤，研究人员开发一种可以观察表达了荧光Ca2+传感器GCaMP6f斑马鱼的体外成像系统，以追踪CM再生过程中的Ca2+动态。心肌梗死较远区域（RZ）和邻近区域（BZ，CM在此处去分化和增殖）表现出早期再生阶段Ca2+流入和流出持续时间的差异，而BZ-CM Ca2+变化与胚胎CM相比，早期阶段Ca2+流入在各时间点没有差别，提示BZ-CM在早期再生阶段在功能上恢复到类似于胚胎的状态。随后，作者对再生的早晚阶段的BZ-CM进行scRNA-seq分析，两阶段分别显示出不同的基因表达特点，鉴于Ca2+动力学在早晚期阶段是不同的，且与Ca2+调节相关的基因在晚期阶段显着表达，作者进一步筛选可能与这种状态有关的候选基因。之前的一项针对墨西哥穴居鱼的种群分析指出lrrc10（leucine-rich repeat–containing 10）基因参与心脏再生，但机制未知【1】。有趣的是，lrrc10在再生的早期阶段下调而在晚期阶段上调，于是作者构建了lrrc10-/-斑马鱼模型，发现lrrc10-/-CM在再生的任意阶段都无法恢复其Ca2+流入和流出，提示Lrrc10在CM成熟过程中的关键作用。
图1. 监测成体心脏Ca2+循环的策略。
心脏dyad结构能通过将调节Ca2+通量（L型钙通道和肌质网）和肌节的组分的空间排布来实现有效的兴奋-收缩耦联【2, 3】。已知哺乳动物的Lrrc10与dyad组分（如α-actinin和RyR2等）共定位，在斑马鱼中，作者也发现未受损lrrc10+/+CM中lrrc10与dyad的共定位，在再生过程中，lrrc10+/+和lrrc10-/-个体在早期都显示出α-actinin和L型钙通道的解体，在晚期阶段，lrrc10+/+BZ-CMs的dyad组件重组，与未受损心脏相当，而lrrc10-/-BZ-CM尽管显示出肌节重组，但未能将L型钙通道重新定位到z盘。作者想知道是否能在哺乳动物中也观察到受损心脏的上述变化。在心肌梗死小鼠心脏中，与疤痕相邻的BZ-CM在早期和晚期阶段都显示出dyad的完全解体，Lrrc10表达在BZ-CM中显着减少。类似的，人类心梗心脏中的距离梗死部位较远的RZ-CM显示dyad的正常组装，而位于BZ-CM的dyad则排布混乱。
图2. Lrrc10是再生过程中心脏dyad形成所必需的。
CM增殖是早期再生阶段的标志，增殖峰值出现在损伤后7天（7 dpi），与lrrc10表达的瞬时峰值一致，然而，作者发现lrrc10高表达与细胞增殖标志物EdU掺入呈负相关，提示lrrc10可能是增殖的负调节因子，且这种抑制作用在哺乳动物当中具有保守性。之前的工作指出可以通过激活特定基因和信号通路诱导CM增殖来修复受损心脏，但这种CM增殖往往是不受控的，会导致出现心脏肥大【4】。那么是否可以利用Lrrc10对CM增殖的抑制作用来预防心脏肥大呢？为了证明这点，作者在斑马鱼的CM中连续6周过表达ca-Vdra以致心脏扩大和胸腔明显膨胀，而共表达GFP-Lrrc10的斑马鱼则没有表现出心脏肥大的迹象。最后，作者测试了Lrrc10是否可以在Nrg1的CM特异性过表达后预防心脏肥大。仅过表达Nrg1的斑马鱼表现出异常肥大的心脏，而同时过表达GFP-Lrrc10后则没有表现出心脏肥大。这些数据表明Lrrc10能通过抑制CM增殖来有效预防心脏肥大。
图3. Lrrc10可以抑制CM增殖以及防止心脏扩大。
总的来说，这项工作通过自然产生新CM的心脏再生模型，展示了CM成熟过程中肌节和Ca2+调节之间复杂且高度相关的作用，即CM使用Lrrc10将肌节和L型钙通道的成分结合并募集到位于z盘的心脏dyad区域，在心脏受损后，lrrc10下调使BZ-CM去分化导致CM增殖，新生成的CM再上调lrrc10有助于心脏dyad的重组，从而促进功能齐全的成熟CM的重建。这些发现证明了心脏dyad对于CM成熟过程至关重要。
http://doi.org/10.1126/science.abo6718
制版人：十一
参考文献
1. W. T. Stockdale et al.,Cell Rep.25, 1997–2007.e7 (2018)
2. M. T. Woon et al.,J. Am. Heart Assoc. 7, e006428 (2018).
3. W. Feng et al.,Circulation141, 940–942 (2020).
4. M. Ogawa et al.,Science372, 201–205 (2021).
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