综述：Dissecting cardiovascular disease-associated noncoding genetic variants using human iPSC models

《Stem Cell Reports》：Dissecting cardiovascular disease-associated noncoding genetic variants using human iPSC models

本文综述了利用人类诱导多能干细胞（hiPSC）模型解析心血管疾病相关非编码遗传变异的最新进展，揭示了非编码变异在疾病发病机制中的作用。

　　

前言

心血管疾病是全球首要死亡原因，遗传易感性在心血管疾病风险中起着关键作用，但其机制尚不完全清楚。随着基因组学技术的发展，如全基因组关联研究（GWASs），已发现数百个与心血管疾病相关的遗传位点，其中大多数位于非编码基因组区域。这些非编码变异通过调节转录因子结合、染色质可及性等影响基因表达。人类诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）作为一种强大的模型，可用于研究这些非编码变异的致病性及其转录机制。

非编码变异介导的发病机制基础

基因表达的起始步骤——转录是一个高度调控的过程。增强子（enhancers）作为保守的DNA元件，通过与特定转录因子（TFs）结合，调控基因的时空表达。增强子通过染色质环化（chromatin looping）与基因启动子相互作用，促进转录起始。此外，组蛋白修饰（如H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3）通过影响染色质的紧密程度，进一步调控基因表达。非编码变异可能通过破坏转录因子结合位点、改变染色质三维结构（3D structure）或影响转录后过程（如选择性剪接、mRNA稳定性）来引发疾病。

解析非编码变异机制的方法

研究非编码变异的方法包括转录组学、转录因子结合分析、染色质可及性分析、染色质构象分析等。转录组测序（RNA sequencing）可识别携带非编码变异细胞与对照细胞之间的差异表达基因。单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing）能够揭示非编码变异在特定细胞类型或状态下的影响。染色质免疫沉淀（ChIP-seq）和相关技术（如CUT&Tag、CUT&RUN）用于分析转录因子结合位点。染色质可及性分析（如ATAC-seq）可检测非编码变异对DNA区域可及性的影响。染色质构象捕获技术（Hi-C）用于研究基因组区域间的相互作用，揭示非编码变异对染色质环化的影响。

hiPSC模型在解析非编码变异中的应用

hiPSC-CMs因其能够模拟人类心脏发育和功能的时空特异性，在研究非编码变异对心血管疾病的影响方面具有独特优势。hiPSC-CMs的基因表达模式与心脏组织样本高度相似，使其成为研究非编码变异影响基因表达的有效模型。此外，hiPSC-CMs还被用于生成大规模的表观基因组学数据集，如染色质可及性图谱、组蛋白修饰图谱和转录因子结合图谱等，为心血管疾病研究提供了丰富的资源。

非编码变异在hiPSC-CMs中的特征

多项研究利用hiPSC-CMs模型揭示了非编码变异在心血管疾病中的作用。例如，在先天性心脏病（CHD）研究中，通过hiPSC-CMs模型发现多个非编码变异影响心脏调节元件（REs）活性，进而影响基因表达。在心律失常研究中，hiPSC-CMs模型揭示了非编码变异通过破坏转录因子结合位点或改变染色质构象影响心律失常相关基因表达。在心肌病研究中，hiPSC-CMs模型发现非编码变异通过影响基因表达或选择性剪接参与心肌病的发生发展。在药物诱导的心脏毒性研究中，hiPSC-CMs模型揭示了非编码变异如何影响药物反应，为个体化治疗提供依据。

hiPSC模型的未来发展方向

hiPSC技术的不断进步为心血管疾病研究提供了更多可能性。例如，通过改进分化协议，hiPSCs可分化为心脏中多种细胞类型，包括心肌细胞亚型、内皮细胞、心肌成纤维细胞和心肌平滑肌细胞等，为研究细胞间相互作用和非编码变异的影响提供了更复杂的模型。此外，hiPSCs还可用于构建三维心脏组织和类器官，如心脏类器官（cardioids），这些模型更接近真实心脏的三维结构和功能，有助于深入研究非编码变异的作用机制。同时，细胞村（cell villages）和嵌合体（chimeroids）等新概念的出现，为大规模研究人类遗传变异提供了新的思路，有望在心脏疾病研究中得到应用。

结论

非编码遗传变异在心血管疾病中占据重要地位，而hiPSC模型为解析这些变异的功能影响提供了有力工具。通过hiPSC模型，研究人员能够在患者特异性的环境中研究疾病相关细胞类型，从而填补遗传关联研究与分子机制之间的空白。深入理解非编码遗传变异对心脏生物学的影响，将为心血管疾病的精准诊断和治疗策略提供新的靶点和思路。