基因谱系示踪技术揭示小鼠Tbx18+心脏祖细胞向心系细胞分化的潜能

心脏祖细胞(cardiac progenitor cells,CPCs)的研究对阐明先天性心脏病的机制及治疗心血管疾病具有重要意义.哺乳动物的心脏组织由多种不同CPCs分化形成.转录因子Tbx18在发育中的心外膜中表达,对心脏的发育形成起重要的调节作用.为了在组织及活体细胞水平检测和阐明Tbx18+CPC的分化潜能,应用Cre-LoxP系统建立Tbx18+CPCs基因命运谱系示踪模型:Tbx18-Cre/Rosa26R-EYFP和Tbx18-Cre/Rosa26R-LacZ双杂合基因敲入小鼠.该双杂合基因敲入小鼠通过Cre的表达能有效地示踪Tbx18+细胞在胚胎和成年小鼠中的分化命运.Tbx18-Cre/Rosa26R-EYFP双杂合小鼠心脏能非常容易地利用流式细胞分选系统(FACS)分离出YFP+细胞,也可在倒置共聚焦显微镜下观察.应用X-gal染色分析其表达模式,揭示Tbx18命运谱系参与心房肌、室间隔、心室肌、冠状动脉、瓣膜等的形成.应用免疫荧光技术初步揭示Tbx18+CPCs向心脏肌钙蛋白T(cTNT)阳性心肌细胞和平滑肌肌球蛋白重链11(MYH11)阳性血管平滑肌细胞分化的潜能.心脏是一个由多种肌肉和非肌肉组织细胞构成的复杂器官.推测Tbx18可能在心脏祖细胞向肌源性细胞分化的信号通路中起重要调节作用.在上述研究中应用基因谱系示踪技术,验证Tbx18可作为一类CPCs的标志,为更深入揭示心脏祖细胞向心系细胞的分化潜能打下基础.     

胚胎干细胞向心肌细胞分化过程中能量代谢变化的研究

目的：定向诱导人胚胎干细胞分化为心肌细胞，对分化过程中胚胎干细胞、心肌祖细胞和心肌细胞糖酵解能力和线粒体氧化磷酸化能力进行实时定量检测，探索分化过程中细胞能量代谢表型的转换机制.方法：用GSK3抑制剂CHIR99021和Wnt信号通路小分子抑制剂IWP2的方法定向分化人胚胎干细胞为心肌祖细胞和心肌细胞；细胞免疫荧光检测人胚胎干细胞标志物，流式细胞术检测人心肌祖细胞和心肌细胞标志物；应用细胞外流量分析（Extracellular Flux Analysis）方法检测人胚胎干细胞、心肌祖细胞和心肌细胞能量代谢情况.结果：人胚胎干细胞干性保持稳定，均表达Nanog、OCT4、SOX2细胞标志物；在向心肌分化过程中，第7d心肌祖细胞标志物Isl1表达99%以上，分化第15d心肌细胞标志物cTnT表达83%以上；人胚胎干细胞糖酵解代谢能力最强，心肌细胞线粒体功能最强，心肌祖细胞处于两种代谢方式的过度阶段.结论：在人胚胎干细胞向心肌细胞分化的过程中，细胞糖酵解能力逐渐减弱，线粒体氧化磷酸化能力逐渐增强，细胞的能量代谢类型发生转变.     

利用RNAi技术研究果蝇心脏发育基因的功能

RNAi是近两年发展起来的一种阻抑基因表达的新方法。它通过导入一段与内源基因同源的双链RNA序列（dsRNA）,使内源mRNA降解,从而达到阻抑基因表达的目的。目前已在线虫、果蝇、臭虫、真菌及植物等生物中建立RNAi技术,用于研究某些特定基因或已知基因在特定发育时期的功能。对于难于获得突变体的基因或生物体,RNAi技术尤其有效。虽然果蝇心脏发育基因wingless和tinman在果蝇心脏发育的早期功能已经清楚,它们都与果蝇心脏前体细胞的形成有关,但它们在果蝇心脏发育的后期功能仍有待进一步研究。实验运用RNAi技术,分别将tinman和wingless的dsRNA注入果蝇的早期胚胎,得到了这两个基因的dsRNA干扰表型,与两个基因的突变体表型非常相似,都表现为果蝇心脏前体细胞不能形成或心脏管缺失。尤其是tinman基因的dsRNA,还引起了肠中胚胎层缺失和体壁肌肉组织的紊乱,而wingless基因的dsRNA却只影响心脏的形成,而不影响肠中胚层,说明dsRNA干扰具有非常强的特异性,因而不失为研究果蝇心脏发育基因功能的有效方法。     

Notch信号途径中的Su(H)和E(spl)基因对果蝇天然免疫的影响

天然免疫系统是多细胞生物抵抗各种入侵微生物的第一道防线.Notch途径介导相邻细胞之间的相互作用,调节细胞、组织、器官的分化和发育.为了进一步探索Notch信号途径在果蝇天然免疫中的功能,利用Notch途径下游基因Su(H)和E(spl)的低表达突变体果蝇,通过体外注射病原体分析了生存率、血细胞的噬菌功能和抗菌肽的表达量以及突变体的血细胞数量.结果表明,革兰氏阴性细菌和真菌感染后果蝇E(spl)突变体的生存率、噬菌能力及抗菌肽的表达量明显降低,而且幼虫期血细胞出现异常增殖;Su(H)突变体只对真菌表现出敏感性,抗菌肽的表达量降低,但是对真菌的噬菌能力正常.此结果表明,Notch途径不仅影响个体的生长发育,而且在果蝇天然免疫中也起重要的调节作用.     

利用果蝇模型研究人类心脏早期发育的分子机理

近年来,果蝇心脏转化的遗传机制已初步研究清楚,但控制人类心脏早期发育的基因尚待鉴定。因为调控果蝇和脊椎动物早期心脏细胞命运定型的途径具有保守性,果蝇是一种探讨人类心脏早期发育的分子机理的理想动物模型。为此目的,我们采用P转座子和EMS诱变技术建立了约3000个隐性致死基因平衡系。通过心脏前体细胞特异性抗体免疫组化筛选,我们选出200余个表现心脏突变表型的平衡致死系。我们进一步利用RNAi技术对一些基因的功能进行了初步的研究,证明这些基因表现RNAi的突变表型,该类突变表型与基因突变时表现的表型相似,即心管呈缺陷型或无心脏前体细胞形成。利用果蝇和人类基因组计划获得的成果,我们从果蝇心脏侯选基因中初步克隆和鉴定了50个人类同源基因,其中20个是新基因。Northen印迹分析表明,一部分人类基因在心脏组织中有表达,从而为研究这些基因在人类心脏早期发育中的作用提供了信息。目前,我们正在建立转基因果蝇,以此为模型研究这些基因是否对心肌细胞发生或心肌功能起调控作用。产生心肌细胞突变类型的基因如果类似于人类心脏病综合症,则可以作为人类心脏疾病侯选基因作进一步的分析。     

基于单细胞转录组数据探究不同海拔牦牛心肌细胞通讯和基因表达差异

心脏作为血液循环最重要的器官在动物环境适应中发挥着重要的作用。心肌细胞是心脏主要的功能细胞,然而高海拔地区牦牛心肌细胞基因表达变化及细胞间通讯关系尚不清楚。为此,本研究以高海拔地区牦牛(青海祁连,海拔4 000 m)和低海拔地区牦牛(青海循化,海拔2 600 m)为研究对象,基于心脏组织10×单细胞转录组测序数据,对心肌细胞和心脏其他细胞进行细胞通讯及配体-靶基因调控预测,同时对高、低海拔牦牛心肌细胞差异表达基因进行功能注释分析,以期探究心肌细胞在牦牛适应高原环境过程中的作用。结果显示,牦牛心肌细胞与内皮细胞、上皮细胞的关联最强,心肌细胞-树突状细胞及心肌细胞-巨噬细胞两个“细胞对”中CD74＿COAP和CD74＿APP配受体表达量相对较高;配受体活力在TNF信号通路中相对较强;在免疫相关通路发挥重要作用的配体PTPRC、PECAM1、ITGB2、ANXA1、BDNF等对所有“细胞对”影响明显,且PI3K-Akt信号通路在配体-靶基因调控中潜力分值最高;高、低海拔牦牛心肌细胞中差异表达基因功能主要富集在代谢途径,其中氧化磷酸化、糖酵解代谢通路相关的基因表达明显增强。本研究结果提示,牦牛...     

hhlim对心肌肥大的影响及其作用机制探讨

hhlim是从胎儿心脏中新近分离和克隆得到的与心脏发生相关的基因,其表达产物作为转录因子参与多种基因的转录调控和细胞的发育与分化过程.用细胞转染方法将外源性hhlim基因导入原代心肌细胞,发现该基因强制性表达可使心肌细胞体积明显增大.RT-PCR和蛋白质印迹结果表明,hhlim促心肌细胞肥大与诱导α-肌动蛋白(α-actin)过表达及重新启动胚胎期表达基因脑钠肽（BNP）表达有关.用可表达hhlim反义RNA的真核表达载体转染心肌细胞后,致心肌细胞肥大因子ET-1对BNP和α-actin表达的诱导受到显著抑制.这些结果表明,ET-1促进BNP和α-actin表达及引发心肌肥大的效应可能由hhlim所介导,提示hhlim表达与心肌细胞肥大的启动有关.单独或共转染转录因子hhlim、Nkx2.5、GATA-4表达质粒和BNP转录调控区指导的报告基因结果显示,hhlim强制性表达不仅能直接激活BNP基因表达,而且与NKx2.5具有协同作用.结果表明,hhlim可以通过直接或与Nkx2.5协同作用激活BNP基因的表达.     

果蝇前后图式基因调控的层次性（下）

果蝇胚胎的前后极性和幼虫精细的体节图式是由一系列基因控制。这些基因在早期胚胎发育过程中显示不同的作用层次。首先,母性效应基因通过卵中编码的形态发生原,将胚胎分为前后极和两末端区。继而由体节缺口基因决定胚胎的第二次分区。在这基础上,体节成对基因和极性基因相继转录表达,分别决定重复体节的存在和每个体节的前后极性。最后,在体节基因活性影响下,由同源异型基因决定每个体节的特性。在果蝇早期发育中,正是由于上述不同层次的前后图式基因通过相互调节,按顺序在特定的空间相继表达,从而决定了幼虫规则体节的形成。     

利用 CRISPR/Cas9 系统定向编辑黑腹果蝇Osiris24基因

Osiris基因在几丁质沉积过程中表达,可能参与昆虫表皮的发育。本研究利用CRISPR/Cas9 基因编辑系统对Osiris24基因进行编辑,进而观察Osiris24突变体果蝇的性状并且检测Osiris24的表达特征。在Osiris24第1外显子设计2个sgRNA靶位点,插入到pCFD4敲除载体骨架中,同时构建酵母Gal4蛋白序列的供体(donor)载体,将2个载体同时注射到nos-Cas9胚胎中获得G0代转基因果蝇。结果显示,G0代基因编辑阳性率为92.8%,Osiris24纯合突变体在胚胎或1龄幼虫期致死,杂合突变体未观察到可见表型。将阳性G0代雄虫与UAS-GFP雌虫杂交,检测不同龄期和不同组织GFP信号表达情况。结果发现,Osiris24在不同龄期幼虫中均有表达,幼虫期主要在体壁、气管、前肠和后肠高表达,蛹期主要在体壁和翅上表达,推测其在果蝇发育中发挥重要作用,本研究为深入探究Osiris基因功能提供了研究模型。     

钾离子通道蛋白Shaker对果蝇心脏衰老的保护作用

钾离子通道在心肌细胞动作电位复极过程中起着重要作用。钾离子通道蛋白种类繁多,已知钾离子通道蛋白KCNQ和HERG/eag参与心脏动作电位的形成,调节心脏收缩节律。钾离子通道蛋白Shaker是果蝇(Drosophila)体内发现的第一个电压门控钾离子通道,维持神经元和肌肉细胞的电兴奋性,但是目前其在成人心脏功能中的作用仍不清楚。本研究以果蝇为模型,高频电刺激模拟心脏应激状态,观察钾离子通道蛋白shaker基因突变体的心衰发生率。同时,利用心脏特异性启动子hand4.2Gal4特异性敲低钾离子通道蛋白Shaker的表达;果蝇成体心脏生理学功能分析系统分析了1、3、5周龄特异性敲低钾离子通道蛋白Shaker的心脏表型。结果表明,shaker基因突变将严重影响果蝇心脏抗应激能力,表现在高频电刺激后的心力衰竭发生率显著性升高;心脏特异性敲低shaker基因导致5周龄果蝇心律失常发生率显著性增加;心脏特异性敲低HDAC3将显著降低果蝇寿命。综上所述,本研究推测钾离子通道蛋白Shaker在衰老过程中维护果蝇正常的心脏功能。     

Role of svp in Drosophila Pericardial Cell Growth

The Drosophila dorsal vessel is a segmentally repeated linear organ, in which seven-up (svp) is expressed in two pairs of cardioblasts and two pairs of pericardial cells in each segment. Under the control of hedgehog (hh) signaling from the dorsal ectoderm, svp participates in diversifying cardioblast identities within each segment. In this experiment, the homozygous embryos of svp mutants exhibited an increase in cell size of Eve positive pericardial cells (EPCs) and a disarranged expression pattern, while the cardioblasts pattern of svp-lacZ expression was normal. In the meantime, the DA1 muscle founders were absent in some segments in svp mutant embryos, and the dorsal somatic muscle patterning was also severely damaged in the late stage mutant embryos, suggesting that svp is required for the differentiation of Eve-positive pericardial cells and DA1 muscle founders and may have a role in EPC cell growth.     

The Drosophila patched gene encodes a putative membrane protein required for segmental patterning

The patched (ptc) gene is one of several segment polarity genes required for correct patterning within every segment of Drosophila. The absence of ptc gene function causes a transformation of the fate of cells in the middle part of each segment so that they form pattern elements characteristic of cells positioned around the segment border. Analysis of the mutant phenotype demonstrates that both segment and parasegment borders are included in the duplicated pattern of ptc mutants. We have cloned the ptc gene and deduced that the product is a 1286 amino acid protein with at least seven putative transmembrane alpha helices. ptc RNA is expressed in embryos in broad stripes of segmental periodicity that later split into two stripes per segment primordium. The pattern of expression does not directly predict the transformation seen in ptc mutant embryos, suggesting that ptc participates in cell interactions that establish pattern within the segment.     

Pericardin,a Drosophila type IV collagen-like protein is involved in the morphogenesis and maintenance of the heart epithelium during dorsal ectoderm closure

The steps that lead to the formation of a single primitive heart tube are highly conserved in vertebrate and invertebrate embryos. Concerted migration of the two lateral cardiogenic regions of the mesoderm and endoderm (or ectoderm in invertebrates) is required for their fusion at the midline of the embryo. Morphogenetic signals are involved in this process and the extracellular matrix has been proposed to serve as a link between the two layers of cells. Pericardin (Prc), a novel Drosophila extracellular matrix protein is a good candidate to participate in heart tube formation. The protein has the hallmarks of a type IV collagen alpha-chain and is mainly expressed in the pericardial cells at the onset of dorsal closure. As dorsal closure progresses, Pericardin expression becomes concentrated at the basal surface of the cardioblasts and around the pericardial cells, in close proximity to the dorsal ectoderm. Pericardin is absent from the lumen of the dorsal vessel.Genetic evidence suggests that Prc promotes the proper migration and alignment of heart cells. Df(3)vin6 embryos, as well as embryos in which prc has been silenced via RNAi, exhibit similar and significant defects in the formation of the heart epithelium. In these embryos, the heart epithelium appears disorganized during its migration to the dorsal midline. By the end of embryonic development, cardial and pericardial cells are misaligned such that small clusters of both cell types appear in the heart; these clusters of cells are associated with holes in the walls of the heart. A prc transgene can partially rescue each of these phenotypes, suggesting that prc regulates these events. Our results support, for the first time, the function of a collagen-like protein in the coordinated migration of dorsal ectoderm and heart cells.