《Cell》重大突破！人類第一大疾病或迎來治療曙光！

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引言

近日，最新一期國際著名學術期刊《Cell》雜誌發表一篇重磅文章，來自著名的Gladstone研究所以及加州大學舊金山分校的研究者們通過篩選細胞周期相關因子，發現CDK1、CDK4、cyclin B1以及cyclin D1這四個細胞周期相關因子可以有效地促進心肌細胞分裂增殖，為心肌損傷、心臟衰竭等心臟相關疾病的治療帶來了曙光。

因心腦血管疾病死亡的人數甚至超過駭人聽聞的因癌症死亡的人數，為第一大致死率疾病。《中國心血管報告2017》顯示中國心血管病患病率及死亡率仍處於上升階段，而心腦血管病現有患病人數估計約有2.9億人之多。

而心臟相關疾病作為心腦血管疾病的重要組成部分，一直以來也是研究者們重要攻克對象。

研究者們在著名學術期刊《Cell》上面發表的文章（圖片來自CellPress）

近日，最新一期國際著名學術期刊《Cell》雜誌發表一篇重磅文章，來自著名的Gladstone研究所以及加州大學舊金山分校的研究者們通過篩選細胞周期相關因子，發現CDK1、CDK4、cyclin B1以及cyclinD1這四個細胞周期相關因子聯合起來可以有效地促進心肌細胞分裂增殖，為心肌損傷、心臟衰竭等心臟相關疾病的治療帶來了曙光^【1】。

?心肌分裂與腫瘤?

為什麼很少聽說過心臟長腫瘤的？

除了心臟組織非常緻密以外，心臟不長腫瘤的主要原因恐怕在於成年之後的心肌細胞幾乎不分裂增殖有很大的關係。

眾所周知，突變的累積產生腫瘤，而在正常環境中，突變在細胞的增殖分裂過程中較為容易產生，因此，心肌細胞不增殖分裂自然也沒有突變的累積（正常情況下）或者突變的累積遠遠慢於其他組織比如肝臟等。

另一方面，腫瘤轉移也很難在心臟這種極其緻密的組織中生根發芽，因而，癌症的轉移也很難讓心臟產生轉移腫瘤，而腫瘤細胞則非常容易在肝臟、骨髓、肺部等等結構鬆散以及細微血管豐富的組織找到落腳之處並生根發芽。

?心肌的更新?

各種致心肌損傷因素（特別是心肌梗死）導致心肌細胞數量減少和殘存心肌細胞功能減退，最終導致心力衰竭的發生。恢復受損心肌組織中有功能的心肌細胞數量，改善心功能，一直是心血管領域研究者們努力的方向。

心肌再生是一個組織水平的概念，其核心內容是指心肌細胞直接通過分裂增殖，或間接通過各種類型幹細胞定向分化成心肌細胞，以維持生理或病理狀態下心肌細胞數目的穩態，保障心功能的生物學過程，其關鍵是心肌細胞數量增加。近年來的研究表明，心肌細胞數量增加主要涉及三個方面的來源：

1.心肌細胞本身的分裂增殖；

2.體細胞 (如成纖維細胞) 經重編程直接轉分化為心肌細胞；

3.各種幹細胞向心肌定向分化。

在突破心肌細胞為終末分化細胞的固有思維之後，人類竭力揭秘心肌再生的本質，對於修復心肌損傷，治療心力衰竭，無疑有著十分重要的意義^【2】。

研究發現，少數脊椎動物如斑馬魚和蠑螈具有肢體和內臟器官再生的能力。成年斑馬魚的心室被切除20%後，被切除的心臟組織在2 個月內可完全再生，有多達20%的心肌細胞出現DNA 合成增加。這些發現為成年心肌細胞直接分裂增殖提供了證據^【2】。

心肌細胞在顯微鏡下的形態（圖片來自網路）

2011 年Sadek 團隊採用新生小鼠心尖切除術發現出生1周內的小鼠能通過心肌自身的再生來修復心臟；而出生7 天以上的小鼠則逐漸喪失了這一能力，其受損心肌的修復主要依賴於瘢痕形成。這一發現為後續研究哺乳動物的心肌再生提供了良好的實驗模型。隨後系列研究表明，小鼠心肌細胞分裂、增殖主要發生在3 個時期，一是胚胎的第10 天到第12天，第二是出生後的第4 天左右，第三個階段為出生後第14 天。成年小鼠心肌細胞仍保留著非常低的更新率( 約為0.76%) ，心肌損傷時再生能力會有所增加。如將小鼠長期置於低氧環境處理，可使其心肌的更新率明顯提高^【2】。

2009 年Bergmann 等用14C 年代測定法證明人的一生中約有45%的心肌細胞更新，20 歲時心肌年更新率約為1%，隨著年齡的增長，年更新率逐漸下降，到75 歲時年更新率降為0.4%。一項有關癌症患者心肌再生的研究發現，其心肌的年更新率可達22%^【2】。

在體外由誘導多能幹細胞iPS分化成的心肌細胞（圖片來自網路）

以上研究表明，心肌細胞並不是絕對的終末分化細胞，不管是低等動物、高等動物，甚至人類，心肌細胞仍保留著部分增殖分裂能力，維持著心肌細胞的新舊更替。因此，揭秘心肌細胞增殖分裂的調控機制，將會為人類修復心肌損傷、治療心力衰竭開闢新的領域^【2】。

?心肌增殖四因子?

既然心肌細胞仍保留著部分增殖分裂能力，維持著心肌細胞的新舊更替，那麼，這背後的原因是什麼呢？或者能不能找出這其中的促進心肌細胞增殖的因子呢？

這正是來自Gladstone研究所的這群研究者們要做的事情。

這篇文章的通訊作者Deepak Srivastava博士（圖片來自Gladstone Institute）

研究者們的思路也很簡單，以小鼠為研究對象來開展工作，既然細胞的增殖都是因為細胞中的轉錄因子的作用，因此首先就來看看小鼠發育不同時期的心肌細胞的轉錄因子有什麼變化。

因為小鼠心肌細胞分裂、增殖主要發生在3 個時期，一是胚胎的第10 天到第12天，第二是出生後的第4 天左右，第三個階段為出生後第14 天，所以，研究者們就對第10.5天胚胎（胚胎時期）、出生後一天（新生小鼠）以及第八周大小鼠（成年小鼠）的心肌細胞進行轉錄組分析，結果得到了許多差異表達基因。

研究者們通過生物信息學分析得到的差異表達基因（圖片來自CellPress）

一般說來，影響心肌細胞增殖的基因很多就在上面的一大堆差異表達基因之中，因此，研究者們就進一步篩選其中的15個基因來做實驗。至於為什麼挑選15個基因進一步實驗，一方面可能根據文獻，一方面也可能有推測的成分，做這種差異基因表達篩選，有時候還得靠點運氣（而且，克隆15個基因就來做這種篩選實驗，是不是有點少了？不過研究者們結果還成功了，確實也是運氣不錯）。

不管怎樣，研究者們就將這15個基因克隆到載體上面，導入成體心肌細胞之中，然後觀察看看是否能夠促進心肌細胞的增殖。

結果，還真有三個基因CDK1、cyclin B1(CCNB)以及daurora kinase B (AURKB)分別都能夠在一定程度上讓心肌細胞分裂，而它們聯合作用還有疊加效應，即能夠更加明顯地促進心肌細胞增殖，研究者們還真是撞了大運了！

研究者們發現CDK1、CCNB以及AURKB這幾個基因能夠比較明顯地促進心肌細胞增殖；PHH3是心肌細胞的標誌（圖片來自Cellpress）

既然CDK1和CCNB都是細胞周期蛋白，那麼其他周期蛋白加進來會不會效果更好呢？

於是，研究者們又繼續實驗，結果發現CDK1、CDK4、cyclin B1（CCNB）以及cyclinD1（CCND）這幾個周期蛋白聯合效果最好，能夠最大限度地刺激心肌細胞增殖分裂，效率能夠達到20%左右。讓人驚喜的是，這幾個基因也能夠讓人的心肌細胞（誘導多能幹細胞iPS分化而成）增殖分裂。

研究者們進一步在小鼠疾病模型中導入這四個因子到缺損的心臟中，結果能夠有效地恢復因心肌損傷的心臟的功能。

研究者們還進一步利用Wee1蛋白抑制子以及TGFβ的抑制子聯合CDK4以及CCND也能夠達到相同的效果。

對這篇文章總結的模式圖；Wee1i表示Wee1的抑制子（inhibitor），Tgf-βi表示Tgf-β的抑制子（圖片來自Cellpress）

「我們發現，當我們同時增加這四種基因時，成體心肌細胞能夠再次開始分裂並再生心臟組織」，這篇研究的第一作者Tamer Mohamed博士說到。

「心臟細胞特別具有挑戰性，因為當它們在出生後退出細胞周期時，它們的狀態真正被鎖定-這可能解釋了為什麼我們不會得到心臟腫瘤」，文章通訊作者Srivastava教授說到，「現在我們知道我們的方法在這種困難的細胞類型中取得了成功，我們認為它可以用於解開其他細胞的分裂潛能，包括神經細胞，胰腺細胞，耳部毛細胞和視網膜細胞。」

參考資料：

1. Regulation of Cell Cycle to StimulateAdult Cardiomyocyte Proliferation and Cardiac Regeneration.2018.

2. 王慷慨、肖獻忠。心肌再生:心肌細胞增殖與體細胞轉分化。

3. Unlocking a cell"s potential toregenerate the heart.

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