STM | Beclin1在心肌重編程中的作用及分子調控機制

責編 | 酶美

在心肌梗死、心力衰竭的發生過程中心肌細胞（Cardiomyocytes，CMs）的丟失及瘢痕形成是主要的病理過程。哺乳動物出生後CMs的數目不再增加，成年CMs作為終末分化細胞不具備再生能力，因此一旦損傷則永久喪失。心源性轉錄因子（TFs）Mef2c，Gata4和Tbx5（MGT）可以直接將成纖維細胞重編程為誘導的心肌細胞（induced cardiomyocytes，iCMs），從而為心臟修復提供潛在的細胞來源，是一種非常有潛力的心臟再生治療方法【1，2】。但是，心肌細胞重編程的效率較低，分子機制不甚清晰，極大限制了該技術的轉化研究。

2020年10月21日， 北卡羅來納大學教堂山分校（UNC， Chapel Hill）錢莉教授團隊在Science Translational Medicine上發表了題為Down-regulation of Beclin1 promotes direct cardiac reprogramming 的研究論文（第一作者王麗博士）。該論文揭示了調控iCM命運轉換的自噬依賴性和非依賴性途徑。一方面，在iCM重編程中， Atg5依賴性自噬被誘導並且可以促進iCM的重編程。另一方面，自噬因子 Becn1與PI3K III複合物相互作用後可以抑制經典的Wnt /β-catenin信號通路，進而以與自噬無關的方式負調控iCM的誘導。

該研究表明ATG5依賴性的自噬在GMT誘導的iCM重編程中發揮著至關重要的作用。研究人員首先發現自噬在iCM重編程的早期被激活（第三天開始），然而自噬的激活又可以促進iCM的重編程。其次，敲低Atg5會顯著抑制重編程中自噬的誘導並降低iCM重編程效率，這表明iCM重編程需要Atg5依賴的自噬調節。此外，研究發現在重編程的前8天敲低Atg5表達均可降低iCM的重編程效率。因此，Atg5可能在相關染色質表觀遺傳調控重排和iCM命運決定期間的早期發揮作用。作者之前的研究確定了iCM重編程的軌跡【3，4】，該軌跡要求去除細胞起始的纖維化特徵並建立iCM相關的結構和代謝程序【5】，而本研究發現在亞細胞重建過程中存在細胞器（線粒體）更新的中間階段；因此，在iCM命運轉換的過程中自噬通過促進細胞成分循環回收重新利用來促進細胞重塑。

然而，在針對自噬信號通路的其他節點分析時發現， Becn1（自噬啟動的關鍵調節因子）是誘導iCM的屏障分子，敲除Beclin-1可提高iCM的質量和數量。結合心梗模型和體內重編程模型，Beclin1基因缺失小鼠在接受重編程因子處理以後，其心梗面積和纖維化明顯降低，心臟功能得到極大改善。對iCM重編程中自噬流的分析表明，在重編程的早期階段（確定iCM命運階段），Becn1缺失不影響自噬（前7天），但在iCM細胞命運已經建立的後期影響自噬。同時敲低Becn1和Atg5仍表現出高於對照組的重編程效率，提示Becn1在調控iCM命運決定的過程中與自噬無關。為了探索潛在的機制，研究人員通過RNAseq發現Becn1的缺失導致重編程細胞轉錄組的變化。細緻分析發現下調Beclin-1表達可以提高經典的Wnt/β-Catenin信號通路相關分子的表達，引起β-Catenin核內聚集而提高Wnt通路的活性。此外，蛋白質組學研究顯示Beclin-1與 PI3K III複合物相互作用，以抑制Wnt/β-Catenin信號傳導，進而負調控iCM轉化。

綜上所述，該研究揭示了在iCM重編程中Atg5依賴性自噬的誘導作用以及Becn1介導的非自噬依賴的抑制作用。其中，Becn1被認為是iCM命運誘導的細胞屏障，並發現了涉及ULK1-PI3K複合物-Wnt /β-catenin信號網絡的iCM誘導的調控機制。此項研究首次揭示細胞自噬對重編程的影響，闡釋Beclin-1介導的全新的信號通路，同時為提升心肌細胞重編程效率、闡明重編程分子機製做出貢獻，也為心肌再生的臨床應用提供新的靶點和理論依據。

原文連結：

https://stm.sciencemag.org/content/12/566/eaay7856

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參考文獻

[1]Qian L, Huang Y, Spencer CI, Foley A, Vedantham V, Liu L, Conway SJ, Fu JD and Srivastava D. In vivo reprogramming of murine cardiac fibroblasts into induced cardiomyocytes. Nature, 2012, 485(7400):593-8

[2]Ma H, Wang L, Yin C, Liu J and Qian L. In vivo cardiac reprogramming using an optimal single polycistronic construct. Cardiovasc Res, 2015, 108(2):217-9

[3]Liu Z, Wang L, Welch JD, Ma H, Zhou Y, Vaseghi HR, Yu S, Wall JB, Alimohamadi S, Zheng M, Yin C, Shen W, Prins JF, Liu J and Qian L. Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte. Nature, 2017, 551(7678):100-104

[4]Zhou Y, Wang L, Liu Z, Alimohamadi S, Yin C, Liu J and Qian L. Comparative Gene Expression Analyses Reveal Distinct Molecular Signatures between Differentially Reprogrammed Cardiomyocytes. Cell Rep, 2017, 20(13):3014-3024

[5]Liu Z, Wang L, Welch JD, Ma H, Zhou Y, Vaseghi HR, Yu S, Wall JB, Alimohamadi S, Zheng M, Yin C, Shen W, Prins JF, Liu J and Qian L. Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte. Nature, 2017, 551(7678):100-104