JCI罗文团队合作揭示心脏冠状动脉形成的转录调控新机制
冠状动脉是为心肌提供氧气和营养物质的重要血管，其正常形成对于胚胎心脏发育和出生后心脏功能维持至关重要。研究表明，心内膜是冠状动脉内皮细胞的重要来源之一1。在心脏发育过程中，部分心内膜细胞获得tip cell样特征，随后向心肌内部迁移，并经历内皮-间质转化（Endo-MT）和动脉化，最终形成冠状动脉2, 3。然而，目前对于心内膜如何协调细胞命运转换、迁移以及动脉化，从而促进冠状动脉形成的转录调控机制仍不清楚。已有研究表明，NOTCH、VEGF、BMP、TGF-β和CXCL12等多种信号参与冠状血管发育1, 3-6，但这些信号如何被心内膜特异性转录因子整合仍有待进一步研究。
近日，南京大学现代生物研究院罗文教授联合南京大学医学院杨中州教授等图团队，在国际期刊JCI期刊发表题为 “Endocardial transcription factor HAND2 orchestrates hypoxic and TGF-β signaling to modulate coronary artery formation” 的研究，揭示了心内膜转录因子HAND2调控冠状动脉形成的新机制。研究发现，HAND2通过协调缺氧/HIF与TGF-β/p38MAPK信号，统筹心内膜细胞的迁移、命运转换和动脉化，从而促进冠状动脉正常形成。
为了探究心内膜调控冠状动脉形成的关键转录因子及其作用机制，研究人员首先对不同来源的心脏内皮细胞进行了转录组分析，发现心内膜来源细胞具有独特的基因表达特征，并鉴定出转录因子HAND2和GATA4在心内膜中特异富集。其中，HAND2此前已被证实参与心脏形态发生，但其在冠状动脉形成中的具体作用尚不清楚。进一步研究发现，HAND2在发育中的心内膜中持续表达，提示其可能是调控心内膜细胞命运和冠状动脉形成的重要因子。
进一步，研究者利用心内膜/内皮细胞特异性Hand2缺失小鼠模型，发现Hand2缺失导致严重的冠状动脉发育异常，并伴随明显的心室心肌致密化不全（ventricular noncompaction）表型，最终导致胚胎死亡。冠状动脉血管密度、分支以及大血管形成均受到明显抑制。进一步的谱系分析表明，心内膜来源的Hand2缺失对冠状动脉形成影响尤为明显，提示心内膜HAND2是冠状动脉发育的重要上游调控因子。
为了进一步探究HAND2缺失导致冠状动脉异常的原因，研究人员结合RNA-seq和单细胞RNA测序分析发现，Hand2缺失后心脏内皮细胞的转录状态发生显著改变。其中，缺氧/HIF-1和糖酵解相关程序明显增强，而TGF-β、MAPK以及Endo-MT相关程序受到抑制。值得注意的是，Hand2缺失后tip cell相关细胞反而明显增加，但这些细胞无法正常向心肌内部迁移，同时Endo-MT和细胞外基质（ECM）重塑受到抑制。这提示HAND2缺失并不是简单导致血管萌发不足，而是使心内膜细胞异常停留在tip cell状态，无法进一步完成迁移和命运转换。
进一步研究发现，Hand2缺失后HIF1α、HIF2α及其下游缺氧和糖酵解相关基因明显升高。为了验证HIF通路在其中的作用，研究人员通过遗传学手段抑制HIF1α/HIF2α，发现Hand2缺失导致的冠状动脉和心肌发育缺陷得到明显改善，同时tip cell及缺氧/糖酵解相关基因表达下降，Endo-MT和ECM重塑得到恢复。上述结果表明，HAND2能够抑制异常的HIF/缺氧代谢程序，从而维持适合冠状动脉形成的内皮细胞状态。
那么，HAND2又是如何调控心内膜细胞迁移和动脉化的呢？研究人员进一步利用CUT&Tag分析HAND2的基因组结合位点，发现大量HAND2结合峰位于基因启动子区域。整合RNA-seq和CUT&Tag数据后发现，HAND2直接调控多种与TGF-β、MAPK、心脏形态发生以及间质细胞分化相关的基因。Hand2缺失后，TGF-β相关信号以及SMAD2/3、ERK、p38等下游信号活性明显降低，提示HAND2可能通过TGF-β/p38MAPK通路促进心内膜细胞的Endo-MT和迁移。
为了进一步验证这一机制，研究人员给予Hand2突变胚胎重组TGFβ2蛋白，发现冠状动脉和心肌发育缺陷能够得到剂量依赖性的恢复。同时，TGFβ2处理能够部分恢复动脉-静脉以及Endo-MT/ECM相关基因程序，降低tip cell相关基因表达，并促进心内膜来源细胞向心肌内部迁移。
综合上述结果，研究人员提出了HAND2调控冠状动脉形成的新机制：**HAND2一方面抑制异常的HIF/缺氧/糖酵解程序，另一方面维持TGF-β/p38MAPK介导的Endo-MT和ECM重塑，从而协调心内膜细胞的迁移与动脉化。当HAND2缺失后，HIF/缺氧程序异常激活，tip cell大量积累；与此同时，TGF-β/p38MAPK信号受到抑制，导致细胞迁移和命运转换受阻，最终造成冠状动脉形成障碍以及心室心肌致密化不全。
总的来说，该研究鉴定了心内膜转录因子HAND2这一冠状动脉形成的重要上游调控因子，揭示了HAND2通过协调HIF与TGF-β/p38MAPK信号，调控心内膜细胞Endo-MT、ECM重塑、迁移和动脉化的分子机制。研究进一步发现，遗传学抑制HIF通路或给予TGFβ2均能够部分挽救Hand2缺失导致的冠状动脉发育异常，提示HAND2相关信号轴可能成为进一步研究冠状动脉疾病和血管新生干预策略的潜在靶点。该研究不仅深化了对心内膜调控冠状动脉发育机制的认识，也为理解心脏血管形成过程中细胞命运与迁移如何被协调提供了新的思路。
南京大学现代生物研究院王慧娟和张皞晟为论文共同第一作者，南京大学现代生物研究院为罗文教授和南京大学医学院杨中州教授为共同通讯作者。该项工作获得南京大学现代生物研究院程远明教授的支持与帮助。该工作得到了国家自然科学基金项目的资助。
原文链接：https://www.jci.org/articles/view/203310
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6. Travisano, S.I. et al. Coronary arterial development is regulated by a Dll4-Jag1-EphrinB2 signaling cascade. Elife 8 (2019).