Cell突破：绘制心脏的基因组蓝图

　　

生物通报道  美国格莱斯通研究所的科学家们揭示了构建来自胚胎心脏细胞的全功能心脏所需成百上千个遗传“开关”的精确顺序和计时，提供了关于一些形式的先天性心脏病遗传基础的线索。这一研究在线发布在《细胞》（Cell）杂志上。

在这篇文章中，来自格莱斯通研究所高级研究员Benoit Bruneau博士实验室的研究人员采用干细胞技术、新一代DNA测序和计算工具拼凑出了心脏如何成为心脏的“基因组蓝图”。这些研究结果为战胜如心律失常和心室间隔缺损等危及生命的心脏缺陷提供了新希望。

格莱斯通研究所新血管研究副主任Bruneau 博士说：“先天性心脏缺损是最常见的出生缺陷类型，在美国每年累及超过3.5万新生儿。由于研究侧重于一小组基因，一直以来很难确定这些缺陷在遗传水平上是如何形成的。在这里，我们通过观察赋予心脏细胞独特特性的全部遗传物质从广角探讨了心脏的形成。”

在这项研究中，科学家们从小鼠处获得了胚胎干细胞，在培养皿中模拟胚胎发育过程，将其重编程生成了跳动的心脏细胞。接下来，他们从发育中和成熟心脏细胞中抽提出了DNA，利用一种先进的基因测序技术ChIP-seq使得科学家们“看到”了DNA中书写的表观遗传学标记。

论文的主要作者之一、格莱斯通研究所和加州大学旧金山分校Jeffrey Alexander 说：“然而仅找到这些标记只是取得了成功的一半。我们接下来不得不破译它们编码了心脏形成的哪些方面。为此，我们利用了格莱斯通生物信息学核心（Gladstone Bioinformatics Core）的计算能力。这使得我们能够将从基因序列中收集的成堆的数据整理成一个可读取的、有意义的关于心脏如何成为心脏的蓝图。

研究小组生成了一些意外的发现，他们发现在心脏细胞中基因群似乎以一种协调的方式共同起作用——在胚胎发育过程中在指定的时间作为一个群体开启和关闭。科学家们不仅确定了一大堆与心脏形成相关的新基因，他们还精确探究了这些新发现的基因是如何与从前已知基因相互作用的。

绘制心脏基因组蓝图对于人类健康的影响是深远的。现在科学家们了解了这些基因如何控制了心脏，他们能够开始了解心脏病是如何破坏这一调控的。最终，他们可以寻找到预防、阻断或消除罹患先天性心脏病儿童体内这些破坏的治疗方法。

Boyer 博士说：“我们的研究结果提供了关于心脏形成过程中复杂的遗传和表观遗传模式如何受到精确调控的新线索。尤其是，我们确定了有助于这一进程的基因组的关键部分，将有希望让我们确定许多形式的先天性心脏病的遗传原因，这是对抗这一破坏性疾病重要的第一步。”

Bruneau博士说：“接下来，我们希望检测先天性心脏病患者的DNA，希望我们能够准确找到引起他们心脏缺陷的特异遗传破坏。一旦我们确定了这一破坏，我们就可以开始探索早期心脏形成过程中恢复正常基因功能的途径，减少出生即有虚弱的，有时是致命的先天性心脏缺陷的婴儿数量。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Dynamic and Coordinated Epigenetic Regulation of Developmental Transitions in the Cardiac Lineage

Heart development is exquisitely sensitive to the precise temporal regulation of thousands of genes that govern developmental decisions during differentiation. However, we currently lack a detailed understanding of how chromatin and gene expression patterns are coordinated during developmental transitions in the cardiac lineage. Here, we interrogated the transcriptome and several histone modifications across the genome during defined stages of cardiac differentiation. We find distinct chromatin patterns that are coordinated with stage-specific expression of functionally related genes, including many human disease-associated genes. Moreover, we discover a novel preactivation chromatin pattern at the promoters of genes associated with heart development and cardiac function. We further identify stage-specific distal enhancer elements and find enriched DNA binding motifs within these regions that predict sets of transcription factors that orchestrate cardiac differentiation. Together, these findings form a basis for understanding developmentally regulated chromatin transitions during lineage commitment and the molecular etiology of congenital heart disease.