Nature | 转录开关调控慢性心脏病逆转

在许多人类疾病中，基因表达的动态变化导致进行性的器官功能障碍。因此，靶向基因转录已经成为一种新的治疗策略，用于治疗包括心衰在内的各种慢性疾病。心衰是一种常见的致命疾病，全世界有2400万人深受该疾病的困扰【1】。在发生病变器官中，压力激活的级联信号会改变染色质，引发转录和细胞状态的广泛变化从而加剧临床的病理特征。其中，成纤维细胞活化是一种常见的应激胁迫反应，会使得慢性心脏疾病进一步恶化，但是目前其分子机制仍鲜为人知【2,3】。

2021年6月23日，美国格莱斯顿研究所Deepak Srivastava研究组以及Saptarsi M. Haldar研究组合作在Nature发表文章A Transcriptional Switch Governing Fibroblast Plasticity Underlies Reversibility of Chronic Heart Disease，发现了调控成纤维细胞可塑性的转录开关作为慢性心脏病可逆性基础的分子机制。

BET（Bromodomain and extra-terminal domain）是一个高度保守且广泛表达的乙酰赖氨酸读取器蛋白家族，其中包括BRD2、BRD3、BRD4转录共激活因子的抑制性药物被发现会缓解心脏功能障碍和相关纤维化【4-6】，成为检测成纤维细胞不良状态成因以及可塑性调节的重要工具，这可能会是慢性心脏疾病的潜在治疗方法。在小鼠模型中，全身使用BET家族抑制剂可以改善心脏衰竭，但是由于全身性的BET抑制“打击面”太过广泛，难以对慢性心脏血管疾病进行特异性治疗。因此，作者们希望利用单细胞转录组学以及表观遗传基因组学对BET家族抑制剂处理心脏组织的影响进行鉴定，以揭开针对细胞状态、疾病发病机制以及治疗相关的重要的顺式和反式作用靶点。

为了对这一问题进行解析，作者们首先对不同BET小分子抑制剂在小鼠心衰模型中的治疗效果进行确认，处理主要分为三个阶段：启动小分子抑制剂处理、撤回处理以及重新再处理。作者们首先检测了CPI-456，这是一种可以口服生物利用的BET小分子抑制剂，最初是作为癌症治疗的临床候选药物进行开发的【7】。心衰开始后，CPI-456治疗一个月，会使得小鼠模型中左心室收缩功能明显改善；停用CPI-456后，左心室收缩功能下降；再次启动治疗后，会使得左心室功能恢复到与初始治疗阶段相同的程度，并且再次停用，导致左室功能恢复到未治疗对照组的水平。另外，作者们对主动脉缩窄的小鼠疾病模型进行了BET小分子抑制剂JQ1【8】的三阶段处理，结果与CPI-456的结果类似（图1）。总的来说，作者们发现在小鼠的心衰模型中使用不同的BET小分子抑制剂显示出了慢性心脏疾病治疗的可逆性，因此可以通过对左心室功能的影响揭开在心脏功能可逆性发展过程中分子层面的变化（图1）。

图1 BET小分子抑制剂药物处理小鼠心衰模型以及随后的单细胞测序分析

众所周知，心脏应激会触发成纤维细胞转变为一种称为肌成纤维细胞myoFB（Myofibroblast），从而影响其收缩和蛋白合成状态【7】。通过心肌细胞转录组以及染色体可及性组学分析，作者们发现基础成纤维细胞（Fibroblast）和激活myoFB状态之间的可逆转变可以通过转录抑制来实现，这表明myoFB中的BET蛋白功能会对心衰发病轨迹产生影响。另外作者们发现了一组非常敏感和高度动态的成纤维细胞相关的远端元件，它们在对照组中关闭，在心衰模型中打开，JQ1处理后会关闭，在JQ1退出后稳定地重新进入（图2）。

图2 不同处理后敏感元件的变化以及被影响的超级增强子

成纤维细胞中非常关键的一个相关元件是Meox1下游一个大的增强子。Meox1是一个非常有趣的备选基因，因为其本身作为转录因子在健康小鼠心脏中表达很低，但是在小鼠的心衰模型myoFBs细胞中被高度上调。随后，作者们将目光集中于研究MEOX1的功能。通过siRNA敲低Meox1后会导致TGF-β刺激的胶原-胶收缩以及EdU引入的减少，说明Meox1是心肌细胞收缩以及增殖表型转化所需必须的，这也正是慢性心脏疾病发病机制中myoFBs的两个功能标志。

图3 工作模型

总的来说，作者们建立了能够进行慢性心脏疾病可逆性研究的平台，同时在鉴定发现了在心肌细胞可塑性转换过程中转录组以及染色质可及性的变化，找到了关键的调控增强子元件。另外，作者们还发现了调控转录因子MEOX1的增强子，MEOX1在活化的肌成纤维细胞中特异性表达，作为应激诱导的心肌成纤维细胞活化的中枢调节因子，与心脏功能障碍相关。该研究为内源性组织成纤维细胞中BET依赖调节的可塑性和特异性提供了新的视角，也为治疗纤维化疾病提供了新的反式和顺式靶点。

原文链接：

1 Virani, S. S. et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2020 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation 141, e139-e596, doi:10.1161/cir.0000000000000757 (2020).

2 Rockey, D. C., Bell, P. D. & Hill, J. A. Fibrosis--a common pathway to organ injury and failure. The New England journal of medicine 372, 1138-1149, doi:10.1056/NEJMra1300575 (2015).

3 Jun, J. I. & Lau, L. F. Resolution of organ fibrosis. The Journal of clinical investigation 128, 97-107, doi:10.1172/jci93563 (2018).

4 Anand, P. et al. BET bromodomains mediate transcriptional pause release in heart failure. Cell 154, 569-582, doi:10.1016/j.cell.2013.07.013 (2013).

5 Stratton, M. S. et al. Dynamic Chromatin Targeting of BRD4 Stimulates Cardiac Fibroblast Activation. Circulation research 125, 662-677, doi:10.1161/circresaha.119.315125 (2019).

6 Antolic, A. et al. BET Bromodomain Proteins Regulate Transcriptional Reprogramming in Genetic Dilated Cardiomyopathy. bioRxiv, 2020.2002.2009.940882, doi:10.1101/2020.02.09.940882 (2020).

7 Albrecht, B. K. et al. Identification of a Benzoisoxazoloazepine Inhibitor (CPI-0610) of the Bromodomain and Extra-Terminal (BET) Family as a Candidate for Human Clinical Trials. Journal of medicinal chemistry 59, 1330-1339, doi:10.1021/acs.jmedchem.5b01882 (2016).

8 Filippakopoulos, P. et al. Selective inhibition of BET bromodomains. Nature 468, 1067-1073, doi:10.1038/nature09504 (2010).