《自然》：发现治疗心衰新靶点！科学家发现，转录开关的控制可以调节成纤维细胞的活化，影响心衰丨科学大发...
心力衰竭是一种常见且致命的疾病，全球大约有2400万人患有心力衰竭[1]，并且它是一种进行性疾病，需要长期治疗管理，这给患者的身体和经济造成了极大的负担。
心肌纤维化是心衰重要的表征之一，它是心肌纤维持续性加重和反复出现的心肌缺血缺氧所导致的。虽然在过去的几十年里，越来越多的心衰患者得到了良好的治疗，然而疗效往往不令人满意。
因此，寻找能够改善心力衰竭的药物，以及探究心肌纤维化的发病机制仍然是至关重要的。
近日，由美旧金山格莱斯顿研究所Saptarsi M. Haldar和Deepak Srivastava共同领衔的研究团队在顶级期刊《自然》发表重要研究成果，他们发现转录开关的控制可以调节成纤维细胞的活化，进而影响心衰，并且发现了转录因子Meox1可能成为治疗心衰以及纤维化疾病新的靶点[2]。
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心力衰竭，简称心衰，它是由于心脏的收缩舒张功能受到障碍，使心脏不能正常射血，导致心脏血液循环障碍，是各种心脏疾病的终末阶段[3]。目前我国心力衰竭患者大约有450万，并且每年都会有大约50万人新患病[4]。
那么，如何有效防治心力衰竭仍然是科学家们需要解决的重大难题。
据研究报道，心功能障碍是心力衰竭中最常见的病因，它主要的病理机制是心室重构，而心室重构的病理变化是因为心肌纤维化[5]。尽管药物和手术治疗等可以在一定程度上改善心肌纤维化，降低心衰的发病率和死亡率，但长期应用的话会存在耐药性和副作用。
因此，寻找新的可以防治心肌纤维化、提高心功能、改善心力衰竭的治疗靶点和作用机制显得尤为关键。
研究人员们通过查阅大量文献发现，在许多疾病中，基因表达的动态变化会导致进行性器官功能障碍。
并且，靶向基因转录水平已经成为多种疾病的新的治疗策略，这其中也包括心衰。
说到靶向基因调控的治疗策略，就不得不提到溴域和末端外域(BET)蛋白了，它的小分子抑制剂已经成为可逆性的干扰体内增强子到启动子的信号传导的有效工具[6]。
BET蛋白是一个高度保守且表达广泛的乙酰赖氨酸阅读蛋白家族，可以共同激活转录，当给予全身性BET抑制剂时可以改善小鼠的心力衰竭[7]。但是仍然不知道在心衰中受BET抑制剂影响最大的细胞类型是哪个，并且全身性给予BET抑制剂可能由于作用太广泛而无法精准的治疗慢性心血管疾病。
于是研究人们进行了下面的实验来进一步探究。
在这个研究中，他们使用了主动脉缩窄术(TAC)来诱导小鼠建立心衰模型，建模18天时开始进行BET抑制剂JQ1治疗，1个月后发现JQ1可以显著改善小鼠的左心室收缩功能。而当JQ1停用两周后，小鼠左心室收缩功能出现退化，这说明BET抑制剂的治疗是可逆性的。
BET抑制剂治疗的左心室射血分数
为了确定受JQ1影响的细胞类型，他们使用单细胞测序技术对四个实验组(假手术组、TAC组、TAC+JQ1组、TAC+JQ1撤回组)心脏组织中提取的非心肌细胞进行了亚群分析发现，在TAC状态下成纤维细胞状态发生急剧转变，而JQ1治疗可使成纤维细胞恢复到接近假手术组的状态，JQ1治疗撤回后使成纤维细胞又回到类似TAC的应激状态。
同时也发现了一些成纤维细胞活化的标志物在TAC中上调，给予JQ1治疗后下调，而在JQ1治疗撤回后又重新升高。接着他们使用了病理学染色也证明了，JQ1治疗撤回后导致左心室纤维化加重。这些都说明了成纤维细胞状态的变化在心衰中的重要性。
为了分析在心衰发病过程中非心肌细胞由JQ1调节的染色质可及性和增强子激活的变化，他们将单细胞测序数据与来自同一心脏的转座酶可及染色质测序(scATAC-seq)数据整合在一起。成纤维细胞在TAC后染色质可及性增加，而JQ1治疗后可以可逆性地减弱，这一特征在髓细胞和内皮细胞中不太明显。
并且在成纤维细胞中发现，CEBPB、JUN和MEOX1的转录因子结合基序在假手术到 TAC过渡的可及区域中富集，随后在JQ1治疗后不富集了，然而在JQ1撤回后又重新富集。
他们又在体外细胞实验上用精确核连续测序技术(PRO-seq)鉴定了一组远端基因元件，这些元件在TGFβ(体外刺激成纤维细胞活化的典型物质)刺激后转录水平显著增多，并且与成纤维细胞活化相关。这一点与心衰过程体内成纤维细胞中打开的染色质区域一致。
TGFβ刺激的成纤维细胞中差异远端转录元件的PRO-seq热图
并且Postn(成纤维细胞活化的标志物)启动子和该区域内的TGFβ依赖性区域(峰值10/11)之间的scATAC-seq共可及性分析，显示了假手术状态下的低共可及性、TAC状态下的大幅度增加以及在JQ1治疗下的动态调节。
他们又使用包含与KRAB阻遏蛋白融合的无催化活性的Cas9(dCas9)的CRISPR干扰 (CRIS-PRi)，来特异性抑制Postn增强子内的单个调节元件。结果显示，峰值10/11的顺式元件是TGFβ刺激后Postn反式激活所唯一需要的。
为了揭示参与心衰过程的远端元件，他们使用TAC组心脏中的scATAC-seq数据，组装了一个富含细胞群的超级增强子，并将这些超级增强子在成纤维细胞的可及性程度与左心室射血分数相关联。在成纤维细胞超级增强子中，有48个显示出强烈的负相关，而22个显示出强烈的正相关。
同时研究人员又使用了染色质免疫沉淀实验(ChIP-seq)，在体外细胞实验中进行验证，并与体内结果一致。
在这一步的实验中，他们发现了体内成纤维细胞中负相关程度最大的元件之一是 Meox1下游的一个超级增强子，这是一种含有同源域的转录因子，也是TAC后肌成纤维细胞(成纤维细胞在刺激处理下会转变成收缩和合成状态，称为肌成纤维细胞)中骨节发育所必需的。
在JQ1治疗后Meox1表达减少，而JQ1撤回可导致Meox1表达显著升高。
成纤维细胞中Meox1的表达变化
并且Meox1下游的增强子对成纤维细胞中的刺激和JQ1治疗极为敏感，但在髓细胞和内皮细胞中则不然。从假手术到TAC状态下，Meox1下游的增强子在成纤维细胞中可以达到10个峰，其中许多在 JQ1处理后关闭且回到假手术水平，并在JQ1撤回时重新打开。
在TGFβ处理的成纤维细胞中，敲低Meox1可以减少α-SMA(成纤维细胞标志物)的表达，以及减弱胶原凝胶收缩和EdU掺入(肌成纤维细胞的两个功能标志)。
TGFβ和敲低Meox1时胶原凝胶收缩情况
而后又通过ChIP-seq实验显示，TGFβ处理后，MEOX1在应激反应性远端元件处的募集增加，Meox1敲低后，由MEOX1结合的应激反应性远端元件的转录降低。
Meox1依赖性基因的基因本体(GO)分析也显示了，与成纤维细胞活化相关通路的富集，例如细胞迁移、运动和增殖的调节。
在这些基因中，也有心脏肌成纤维细胞激活的经典标志物，包括Ctgf和Postn，它们在其启动子和近端调控元件也发现了MEOX1募集，并且在敲低Meox1后显示出转录的降低。因此，MEOX1可被视为参与纤维化疾病相关中成纤维细胞到肌成纤维细胞转换的重要转录介质。
最后，研究人员们发现在人肺、肝和肾的成纤维细胞中，TGFβ刺激会诱导MEOX1表达增加，而给予JQ1后MEOX1表达受到了抑制，这与他们在心脏中的发现一致。
人肺、肝和肾的成纤维细胞中MEOX1的表达情况
综上，BET抑制剂可能通过成纤维细胞中转录因子MEOX1调节心肌纤维化和心力衰竭，这可能是由于MEOX1依赖性的转录开关在心衰中可以控制成纤维细胞的状态，而MEOX1有望成为心肌纤维化和心力衰竭的一个新的治疗靶点。
我们都知道，基因表达的改变会导致器官功能衰竭，并且靶向基因转录已经是多种疾病的治疗策略，而控制转录的开关可能成为一种改善心功能的新策略。
这个研究揭示了MEOX1依赖性转录开关的重要性，发现它在心力衰竭的发病机制中可以控制成纤维细胞的可塑性，并证明这种细胞状态的转变是纤维化进展和逆转中至关重要的分子机制。
这些发现可能会为多种慢性疾病提供新的治疗策略，具有深远的临床应用意义。
参考文献
[1] Virani SS, Alonso A, Benjamin EJ, et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2020 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 2020;141(9):e139-e596. doi:10.1161/CIR.0000000000000757
[2] Alexanian M, Przytycki PF, Micheletti R, et al. A transcriptional switch governs fibroblast activation in heart disease [published online ahead of print, 2021 Jun 23]. Nature. 2021;10.1038/s41586-021-03674-1. doi:10.1038/s41586-021-03674-1
[3] Kurmani S, Squire I. Acute Heart Failure: Definition, Classification and Epidemiology. Curr Heart Fail Rep. 2017;14(5):385-392. doi:10.1007/s11897-017-0351-y
[4] Xuejuan Jin, Jingmin Zhou, Junbo Ge. Research progress on epidemiology of heart failure. Chinese Clinical Medicine. 2013;20(06):852-5.
[5]Xiaoli Yang, Huiyan Qu, Jingfeng Rong, et al. Effects of Luhong Prescription on Myocardial Fibrosis in Rats with Heart Failure after Myocardial Infarction Based on TGF-β1/Smads Pathway. Chinese Journal of Information on Traditional Chinese Medicine. 2021;06(27):1-7. doi.org/10.19879/j.cnki.1005-5304.202104414.
[6] Filippakopoulos P, Qi J, Picaud S, et al. Selective inhibition of BET bromodomains. Nature. 2010;468(7327):1067-1073. doi:10.1038/nature09504
[7] Anand P, Brown JD, Lin CY, et al. BET bromodomains mediate transcriptional pause release in heart failure. Cell. 2013;154(3):569-582. doi:10.1016/j.cell.2013.07.013
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