HMGN1介导心肌重编程：揭示21三体综合征心脏缺陷的表观遗传新机制

《Nature》：Myocardial reprogramming by HMGN1 underlies heart defects in trisomy 21

本研究针对21三体综合征（Down syndrome, DS）中心脏缺陷高发的临床难题，通过整合人诱导多能干细胞（hiPSC）模型、单细胞转录组学（scRNA-seq）及CRISPR激活筛选（CRISPRa CROP-seq）技术，首次发现染色体21编码的表观遗传调控因子HMGN1是导致房室管心肌细胞（AVCM）向心室肌细胞（VCM）状态异常分化的关键剂量敏感基因。在DS小鼠模型中，降低Hmgn1剂量可逆转AVCM转录紊乱并挽救心脏间隔缺陷。该研究为解析非整倍体疾病的致病机制提供了多组学联合分析新范式，为干预DS相关先心病提供了潜在靶点。

　　

在每700名新生儿中，就有1人患有21三体综合征（Down syndrome, DS），这种最常见的遗传性非整倍体疾病不仅影响神经系统发育，近半数患儿还伴有先天性心脏病（CHD），其中房室间隔缺损（AVSD）的发生率比普通人群高出近千倍。尽管已知额外的染色体21拷贝是致病根源，但究竟哪些基因的剂量变化主导了心脏发育异常，数十年来始终是未解之谜。这一盲区不仅阻碍了对DS心脏病理的深入理解，更制约了针对性治疗策略的开发。

为攻克这一难题，来自Gladstone研究所的Sanjeev S. Ranade、Feiya Li及Deepak Srivastava团队在《Nature》发表最新研究，首次揭示核小体结合蛋白HMGN1通过重塑房室管心肌细胞（AVCM）的表观遗传状态，驱动其向心室肌细胞（VCM）方向异常分化，最终导致心脏间隔形成障碍。该研究创新性地结合等基因干细胞模型、单细胞多组学与CRISPR精准调控技术，为解析复杂遗传综合征的致病机制提供了全新范式。

研究团队首先利用源自DS嵌合体患者的等基因hiPSC系（含21三体/二倍体对照），通过定向诱导分化为心肌细胞，并结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术解析发育早期的细胞状态变化。结果显示，21三体细胞中的AVCM比例显著下降，其基因表达谱呈现向VCM状态的明显偏移：调控房室管发育的关键信号通路（如WNT、NOTCH）活性降低，而心室特异性基因（如TBX20、MYH7）异常激活。尤为关键的是，维持AVCM身份的转录抑制因子TBX2/TBX3表达下调，提示细胞身份“重编程”可能是缺陷核心。

为从染色体21的200余个基因中锁定真正的“元凶”，团队设计了CRISPR激活（CRISPRa）单细胞筛选策略（CROP-seq）。通过在二倍体细胞中逐一上调66个在心脏发育期表达的候选基因，并利用机器学习模型评估其诱导“类三体”转录状态的能力，发现表观遗传调节因子HMGN1的上调最能模拟21三体引起的AVCM身份转换。反之，在三体细胞中通过等位基因特异性编辑将HMGN1恢复至二倍体剂量后，AVCM的转录异常被显著逆转。

机制层面，CUT&RUN染色质分析显示，HMGN1富集于TBX2、TBX20等心脏发育关键基因的远端调控区域，其过量表达可能通过改变染色质开放性，破坏AVCM与VCM之间的基因表达平衡。在模拟DS心脏缺陷的Dp1Tyb小鼠模型中，降低Hmgn1剂量不仅纠正了AVCM的转录偏移，更将心室间隔缺损的发生率从25%降至野生型水平，直接证实HMGN1的剂量敏感性在心脏形态发生中的核心作用。

关键技术方法概述

研究利用源自DS嵌合体患者（AG05397细胞系）的等基因hiPSC模型，通过定向心肌分化获得房室管心肌细胞；采用单细胞RNA测序（10X Genomics平台）解析转录组差异；通过CRISPR激活（CRISPRa）联合CROP-seq技术进行染色体21基因的规模化功能筛选；利用机器学习模型对单细胞数据构建表型评分体系；通过等位基因特异性CRISPR编辑技术构建HMGN1单等位基因敲除的三体细胞系；运用CUT&RUN和单细胞ATAC-seq（scATAC-seq）分析全基因组染色质结合与开放性；使用Dp1Tyb转基因小鼠模型进行体内表型验证与微计算机断层扫描（microCT）心脏三维重构。

单细胞转录组揭示AVCM身份偏移

通过对比等基因二倍体与三体hiPSC分化的心肌细胞，研究发现三体AVCM中调控心脏胶质发育、心内膜垫形成的基因显著下调，而心室肌收缩相关通路异常激活。这一偏移在两名无关DS患者的细胞系中均被验证，表明其为21三体的共性特征。

CRISPRa筛选锁定HMGN1为核心效应因子

针对染色体21基因的CROP-seq筛选发现，HMGN1的适度上调（1.5倍）可最佳模拟三体AVCM的转录状态。通过阵列验证及等位基因校正实验，证实HMGN1剂量变化直接调控TBX2等关键转录因子的表达，进而影响细胞命运抉择。

表观遗传机制解析HMGN1的染色质调控作用

CUT&RUN分析显示，HMGN1结合于心脏发育相关基因的远端增强子区域（如TBX2、TBX20位点），其富集区域显著重叠于VCM特异性开放染色质区域，且包含MEF2、TEAD等心脏转录因子结合 motif，提示HMGN1可能通过重塑染色质景观干扰AVCM特异性转录程序。

小鼠模型验证Hmgn1剂量的心脏表型挽救效应

在Dp1Tyb DS模型鼠中，降低Hmgn1至二倍体水平可逆转AVCM的转录偏移，并显著降低心室间隔缺损（VSD）与流出道缺陷的发生率。这一发现将细胞水平的机制与整体器官表型直接关联，明确了HMGN1在DS心脏畸形中的致病权重。

本研究首次揭示HMGN1作为染色体21上的剂量敏感基因，通过干扰AVCM的表观遗传稳态驱动DS相关心脏缺陷。该发现不仅深化了对非整倍体疾病病理机制的认知，更凸显了整合多组学与基因编辑技术解析复杂遗传综合征的强大潜力。值得注意的是，HMGN1可能与其他染色体21基因（如DYRK1A、干扰素受体簇）协同作用，未来需进一步探索多基因互作网络及细胞间通讯在心脏发育中的角色。这一研究为开发针对DS先心病的早期干预策略提供了新靶点，也为其他染色体异常疾病的研究提供了可借鉴的技术路线。