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斑马鱼和哺乳动物心肌细胞增殖:对人类疾病的启示

2018年01月17日 浏览量: 评论(0) 来源:Cellular and Molecular Life Sciences April 2017, Volume 74, Issue 8, pp 1367–1378 | Cite as 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:在早期发育和哺乳动物出生后短暂的时间内,心肌细胞大量增殖。在出生后一个月内,这种增殖能力在哺乳动物中大大降低,而不像低等脊椎动物,它一直持续到成年。例如,斑马鱼通过心肌细胞增殖驱动的机制,保留了心脏切除后再生心脏的能力。哺乳动物和低等脊椎动物成年后心肌细胞增殖能力的差异与个体发育或系统发育因素密切相关。阐明这些因素,如果能开发促进心肌细胞增殖的治疗策略,就有可能提供巨大的益处。在这篇综述中,我们强调哺乳动物和斑马鱼心肌细胞之间的差异,这至少可以部分解释这两个物种的不同增殖能力。我们讨论了斑马鱼作为心肌细胞增殖模型的优点,特别是在胚胎阶段。我们还确定了一些潜在的分子途径,揭示了从静止到增殖表型转变心肌细胞的关键步骤。
摘要:在早期发育和哺乳动物出生后短暂的时间内,心肌细胞大量增殖。在出生后一个月内,这种增殖能力在哺乳动物中大大降低,而不像低等脊椎动物,它一直持续到成年。例如,斑马鱼通过心肌细胞增殖驱动的机制,保留了心脏切除后再生心脏的能力。哺乳动物和低等脊椎动物成年后心肌细胞增殖能力的差异与个体发育或系统发育因素密切相关。阐明这些因素,如果能开发促进心肌细胞增殖的治疗策略,就有可能提供巨大的益处。在这篇综述中,我们强调哺乳动物和斑马鱼心肌细胞之间的差异,这至少可以部分解释这两个物种的不同增殖能力。我们讨论了斑马鱼作为心肌细胞增殖模型的优点,特别是在胚胎阶段。我们还确定了一些潜在的分子途径,揭示了从静止到增殖表型转变心肌细胞的关键步骤。
 
关键词:斑马鱼 哺乳动物 心脏 增殖 再生
 
简介:无论是急性心肌梗死或慢性缺血性损伤,缺血性心脏病是发达国家最常见的心力衰竭原因。此外,老年人患有退行性心脏病与高血压或心脏瓣膜病也同心肌细胞功能障碍、衰竭和最终心力衰竭有关。在损伤和逐渐丧失心肌细胞的过程中,人的心脏通常反应为肥大,包括心肌细胞在内的非心肌细胞群的增生。大多数脊椎动物,包括哺乳动物的胚胎和胎儿的心脏,通常显示出一定程度的再生能力,尽管对新生小鼠的研究表明,它能在出生后持续7天。成年哺乳动物心脏损伤后恢复丢失心肌细胞的能力有限。成年斑马鱼心脏再生已成为证据,成熟的心肌细胞分化清晰,重新进入细胞周期,然后扩散支持修复损伤心肌。斑马鱼胚胎也有助于阐明心脏生长和发育的机制。斑马鱼心脏具有许多相似的哺乳动物心脏的细胞和分子生物学清楚地说明这些结构的共同进化起源。了解斑马鱼心脏发育也有助于我们了解成年斑马鱼强大的心脏再生能力。一个关键问题是对斑马鱼心脏再生过程是否有更好的了解,对哺乳动物应对损伤和修复的反应提供了重要的见解,确定哺乳动物心脏的再生能力是否可以作为一种治疗策略,具有重要的临床价值,仍然是一项令人兴奋的挑战。毫无疑问,斑马鱼是研究心肌细胞增殖和心肌细胞损伤后增生的一个有趣的模型。利用斑马鱼胚胎发育研究的一个主要优点是,胚胎在没有心血管系统功能的情况下能存活数天。本文综述了哺乳动物和斑马鱼对心脏损伤反应的异同。我们还强调斑马鱼胚胎的几种独特特性,作为心肌细胞增殖的模型。
 
心肌细胞增殖:从早期胚胎到成年:胚胎发育:心脏是胚胎发育过程中第一个明显形成和发挥功能的器官。脊椎动物心脏发育是一个复杂的过程,涉及的顺序心脏原基迁移、折叠、循环、分隔和成熟形成腔心。以下关于心脏发育的描述主要应用于哺乳动物心脏,尽管许多方面也适用于斑马鱼和鸡心。在胚胎发育过程中,新的心肌细胞的增殖是心脏生长的主要来源。心肌细胞沿着心脏管壁和房室间隔扩散。特别是心脏的外表面,也称为致密区,其增殖率最高。心外膜、心包络的细胞层,提供了一种有丝分裂信号刺激心肌细胞在致密区的增殖。心外膜源性心脏生长调节剂包括维甲酸及其相关受体。新形成的心肌增厚的心室壁组织指状突起内沿心室表面引起骨小梁,,增加收缩力,改善心脏本身的氧气和营养物质的交换。心内膜,心脏专用的单细胞内层,,还提供胚胎心肌细胞的基本生长信号,包括神经调节蛋白家族肽及其相关的酪氨酸激酶受体。这些生长因子在促进心室外曲正常的“膨胀”中也起着重要的作用。通过增加腔内剪切力来促进早期心脏的形成。
 
胎儿到成年:虽然心肌细胞在胎儿期广泛而迅速地分裂,但在哺乳动物出生后不久就失去了它们的增殖能力。小鼠心肌细胞的增殖活性在E10–12开始下降。一个关键的分子是Jumonji,通过抑制Cyclin D1的表达抑制心肌细胞增殖。Jumonji似乎通过通过招募组蛋白H3 -K9甲基转移酶,G9A和GLP到cyclin D1启动子抑制Cyclin D1转录。JARID2突变小鼠在E10表现出心肌细胞增殖和细胞周期蛋白D1的表达增加。心肌细胞增殖能力在出生后的几个月内消失。当心肌细胞退出细胞周期停留在G0期,显然是无限期的,称为终末分化的过程。几个胎儿基因的下调和成熟表型基因的上调在这一过程中起着重要的作用。细胞周期蛋白依赖激酶(CDK)在细胞周期中起核心作用。不同的周期蛋白依赖性激酶激活顺序,形成其特定的细胞周期蛋白复合物,促使细胞周期进行。同时在胚胎和出生后的发育阶段,CDK改变许多细胞周期蛋白和激酶的表达和活性。心肌细胞周期在发育过程中与细胞质量的积累密切相关,从而维持细胞大小一致。
 
成年:在二十世纪,人们认为心脏是一个有丝分裂后的器官,成人心脏的生长完全是心肌细胞肥大所致。然而,自20世纪90年代以来,成人心脏心肌细胞增殖的证据逐渐被接受。Quaini和他的同事证实成人缺血性心脏病和扩张型心肌病增殖细胞核抗原的存在,细胞周期阶段的标志物。测量细胞分裂率的方法是用来检测DNA合成和计数心肌细胞的方法。
 
哺乳动物和斑马鱼:同哺乳动物相比,低等脊椎动物心肌细胞,包括硬骨鱼和蜥蜴,显示成年期心肌细胞的高增殖能力。这种特性的分子机制还不是很清楚。更好的理解可能为一系列心脏疾病提供重要的治疗靶点。哺乳动物和斑马鱼相关的区别是,在后者中,心肌细胞不进行细胞分裂。事实上,成年斑马鱼的大多数心肌细胞都有一个单核和二倍体基因组,与胚胎哺乳动物心脏中观察到的相似,并且具有显著的增殖能力。有一组共同的基因驱动哺乳动物和鱼类胚胎心脏的生长和发育。在成年哺乳动物的心脏,类似的基因程序被激活。这些基因中的许多似乎在斑马鱼心室顶切除反应中被激活。虽然这一过程已经在各种哺乳动物模型中进行了研究,但对成人心脏的相关过程却知之不多。一个重要的发现是,虽然基因突变导致异常的横纹肌组织,类似于人类和HCM小鼠模型,斑马鱼表现为增生而不是肥大表型。因此,斑马鱼对应激或损伤的反应似乎主要是一种增生反应,而哺乳动物的反应几乎完全是肥大的反应。
 
心脏对伤害的反应:肥大与增生:哺乳动物:在所有生物体中都存在各种机制来处理由损伤或疾病引起的组织损伤。哺乳动物可以再生肝脏、胰腺和皮肤,可以部分修复周围神经或骨骼肌的损伤,但保留其他器官的再生能力较差。虽然成年哺乳动物的心脏被认为是终末分化器官,但胎儿心脏仍然具有显著的增殖能力,能够在损伤后再生心肌细胞。Porrello及其同事发现新生小鼠左心室心尖部切除后心肌细胞可以再生的。然而,在第7天,再生能力丧失,取而代之的是更为典型的纤维化反应,导致瘢痕组织和心功能受损。这一发现为寻找哺乳动物心脏细胞周期阻滞的机制提供了新的动力,目的在于寻找可能诱导成熟哺乳动物心肌细胞重新进入细胞周期的关键分子靶点。成年大鼠和人的透壁性心肌梗死(MI)后,对损伤的典型反应是炎症和心室重构,心肌梗死部位形成纤维化瘢痕。心肌梗死区内和周围的修复性纤维化对于保护梗死组织的结构完整性是必要的,尽管非梗死心肌间质纤维化改变了组织僵硬,并可能导致心室功能障碍。在这种损伤后,哺乳动物心肌通常反应为心肌细胞肥大,包括心肌细胞在内的非心肌细胞群的增生。心肌肥厚,具有增加心肌细胞的大小,增强蛋白质的合成和肌小节的重新组织被认为是一种适应性反应,旨在在血流动力学增加的情况下保持心脏功能。细胞凋亡也是心肌肥大的一个特征,尤其是与充血性心力衰竭有关。然而,有证据表明,成年哺乳动物的心脏确实含有少量能够分化为心肌细胞的祖细胞。成年哺乳动物心脏内可能存在的前体细胞,引起成人心肌细胞增殖的可能性。成人心肌细胞的增殖可以作为治疗过程中的一部分来刺激治疗,从而支持修复和恢复。
 
斑马鱼:虽然哺乳动物在出生后几周内丧失了再生心脏的能力,但低等脊椎动物,如两栖动物和鱼类,则保留了这种再生心脏的能力,并且,事实上,它们的大部分器官在成年后受到明显的损伤或组织丢失。斑马鱼20%脑室顶的切除能在60天内完成心室的再生和修复。斑马鱼心肌再生通过心肌细胞的损伤增殖保留其分裂增殖能力。BrdU标记法研究显示再生心脏前缘的BrdU阳性心肌细胞。心肌再生起源于心外膜的未分化心肌祖细胞。
斑马鱼胚胎作为心肌细胞增殖模型:斑马鱼心脏正在成为一种研究多种发育、遗传性和获得性心脏病的越来越灵活的模型。尽管只有两室,其心从受精后三天保留着哺乳动物心脏的许多结构和发育成分,包括一个三层心室壁(心外膜、心肌和心内膜)。斑马鱼胚胎心脏特别适合研究心肌细胞增殖的一些重要原因。首先,胚胎心脏在早期阶段仅由几百个心肌细胞组成,可用精确和可重复的方法来计算在任一个腔室或两者总心肌细胞数。此外,利用荧光蛋白的转基因技术可以靶向开发心肌细胞,从而使这些细胞的体内发育和功能得以可视化。斑马鱼胚胎的小尺寸允许通过被动扩散交换气体,即使在没有功能的心脏和血液循环的情况下,也可以让他们存活数天甚至相对正常的发育。这允许对具有严重或致命的心血管突变和缺陷的胚胎进行表型分析。高等脊椎动物中很难评估的缺陷,因为它们在子宫内极有可能死亡。在斑马鱼,大约20%的心室心尖部可以切除,再生将在60天内发生。这种模式现在已经在世界各地的许多实验室中重现,并已成为研究心肌细胞增殖相关的分子和细胞机制的标准方法,从而导致心脏再生。然而,这种切除模型只适用于低压力的心脏,如在低等脊椎动物和小鼠出生后早期发现的心脏。在高压血流动力学系统中,典型的成年哺乳动物心脏,切缘急性出血导致快速死亡。这不仅说明斑马鱼由于心脏的生理原因,对心脏切除手术的伤害反应不同,但这也带来了一个问题,即心肌细胞增殖是否修复了一块被切除的心脏。哺乳动物心脏最好的选择是在较高的生理压力下工作,面对巨大的损伤区域,为了尽快愈合梗死区域并避免心肌破裂和出血的风险,尽可能快地形成一块疤痕组织。控制器官和组织再生的机制在幼虫和成虫在细胞和分子水平上保守,这表明再生细胞在损伤过程中指示细胞增殖可能存在于早期发育阶段。事实上,一种广泛应用的组织再生模型,即成人或胚胎斑马鱼鳍切除术,可以诱导截肢边缘的祖细胞增殖。同样的,在分子水平上,成虫再生过程中正常表达的各种转录因子也在幼虫再生过程中增加。我们最近开发并验证了一种利用高度靶向激光损伤在斑马鱼胚胎模型中进行心脏损伤和恢复。胚胎的应用能缩短损伤反应和随后的修复时间。我们已经证明了斑马鱼胚胎心脏在激光损伤后24小时再生和恢复心脏功能的惊人能力。利用这种方法,斑马鱼胚胎可用于高通量模型系统研究人类疾病。例如,图S1清楚地显示了一个研究心脏对伤害的反应的协议,该协议可以在一个只有4 - 5天的实验中完成。
 
未来展望:急性心肌梗死、急性心肌梗死或长期左室收缩功能不全的急性心肌梗死的治疗可能是一个重要但难以实现的目标。关键问题是这些药物是否可以口服或静脉注射,以及它们的益处是否超过危害的风险。在现阶段,我们对这些问题的答案还有很长的路要走,因为尽管目前有许多有趣的途径正在进行进一步的研究,但尚未开发出有效的候选药物。

 

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