在美国，超过200万婴儿、儿童和成人患有先天性心脏病——这是一系列影响心脏结构或功能的出生缺陷。现在，格拉德斯通研究所（Gladstone Institutes）和加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员深入了解了在一个亚型先天性心脏病中，一个广泛的基因和蛋白质网络是如何出错的。
“我们现在更清楚地了解了在某些先天性心脏病病例中哪些基因被错误地部署，”格拉德斯通心血管疾病研究所主任、新研究的资深作者Benoit Bruneau博士说。“最终，这可能有助于我们掌握如何调节基因网络以预防或治疗该疾病。”
先天性心脏病涵盖多种心脏缺陷，从无任何症状的轻微结构问题到严重畸形，这些畸形会阻断或阻碍心脏的正常血流。已有少数基因突变被认为与先天性心脏病有关；首个被鉴定的突变位于一个名为TBX5的基因中。TBX5蛋白是一种转录因子，它控制着数十个其他基因的表达，因此具有广泛的影响。
Bruneau在过去20年里一直在研究TBX5突变对发育中心脏细胞的影响，主要在小鼠中进行研究。在发表于《发育细胞》（Developmental Cell）的新研究中，他和同事们转而使用人类细胞，采用新方法追踪TBX5突变时单个细胞内发生的变化。
“这真的是我们第一次能够在人类背景下研究这种基因突变，”Bruneau说，他也是UCSF儿科学系的教授。“小鼠心脏是人类心脏的良好替代品，但并不完全相同，因此能够在人类细胞中进行这些实验非常重要。”
Bruneau和他的团队使用诱导多能干细胞来研究一种与先天性心脏病相关的基因突变。
科学家们首先使用人类诱导多能干细胞（iPS细胞），这些细胞已被重编程为类似胚胎的状态，从而赋予它们——如同胚胎干细胞——成为体内几乎任何细胞类型的能力。
然后，Bruneau的团队使用CRISPR-Cas9基因编辑技术在这些细胞中突变TBX5，并开始诱导iPS细胞成为心脏细胞。随着细胞变得越来越像心脏细胞，研究人员使用一种称为单细胞RNA测序的方法，追踪TBX5突变如何改变了数万个单个细胞中基因的开关状态。
实验揭示了许多基因在TBX5突变的细胞中表达水平升高或降低。重要的是，并非所有细胞都以相同方式响应TBX5突变；有些细胞的基因表达发生了剧烈变化，而另一些则受影响较小。研究人员表示，这种多样性反映了心脏由许多不同细胞类型组成的事实。
“某些细胞比其他细胞受影响更大，这说得通，但这是首次在人类细胞中通过实验数据显示这种多样性，”Bruneau说。
随后，Bruneau的团队与计算研究人员合作，分析受影响的基因和蛋白质之间的相互关系。新数据使他们能够描绘出一个复杂且相互关联的分子网络，这些分子在心脏发育过程中协同工作。
“我们不仅提供了一个与先天性心脏病相关的基因列表，还提供了这些基因如何相互关联的背景信息，”UCSF贝尼奥夫儿童医院的儿科心脏麻醉师、UCSF麻醉与围手术期护理系副教授、格拉德斯通研究所访问科学家、该研究的第一作者Irfan Kathiriya博士说。
几个基因属于已知与心脏发育或先天性心脏病相关的通路。研究揭示，有些基因是TBX5作为转录因子直接调控的，而其他基因则以更间接的方式受到影响。此外，许多改变的基因与先天性心脏病患者的心脏功能相关，因为它们控制着心脏的节律和舒张，这些基因的缺陷通常与结构缺陷同时出现。
这篇新论文并没有指出任何可以在出生后逆转先天性心脏病的单一药物靶点，但研究人员表示，对健康心脏形成以及先天性心脏病中涉及的网络的更好理解，可能会带来预防缺陷的方法。就像孕妇服用叶酸有助于预防神经管缺陷一样，可能存在某种化合物可以帮助确保与先天性心脏病相关的基因和蛋白质网络在胚胎发育期间保持平衡。
“我们的新数据表明，这些基因实际上都是同一个网络的一部分——复杂但单一——在心脏发育过程中需要保持平衡，”Bruneau说。“这意味着如果我们能找到一个保持该网络功能正常的平衡因子，或许就能帮助预防先天性心脏缺陷。”
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