心脏是哺乳动物胚胎发育过程中形成的第一个功能器官，由四个腔室组成。生命从早期胚胎形成到成体的每一刻都需要心脏不间断地发挥作用。近年来，心脏相关的疾病已经成为危害人类健康的重要原因。心脏发育及心脏疾病相关的研究迫在眉睫，而各种高通量测序技术的出现为心脏有关的研究带来新的曙光。以往的研究大多报道单组学的心脏图谱，对哺乳动物心脏多组学之间的互作及调控知之甚少。
2021年5月18日，北京大学生物医学前沿创新中心文路副研究员与中国医学科学院阜外医院宋雷主任医师、王继征研究员合作在PLOS Biology杂志发表了题为Integrated transcriptomics and epigenomics reveal chamber-specific and species-specific characteristics of human and mouse hearts的研究论文。该研究对11例成年人健康心脏样本、3例人类胚胎健康心脏样本、3组小鼠健康心脏样本的四腔室进行核小体占位和甲基化组测序（Nucleosome occupancy and methylome sequencing，NOMe-seq）及转录组测序，首次整合分析了人类和小鼠健康心脏四腔室的转录组、甲基化组和染色质状态组（图1），为深入理解心脏多组学腔室特异性及物种特异性生物学特征提供了新的视角。
图1 实验取样及流程示意图
该研究发现，成年人心脏心房与心室的转录组及DNA甲基化组均存在明显差别，鉴定得到了一系列分别在心房和心室中高表达的差异表达基因，以及多个在心房与心室间基因体DNA甲基化呈现显著差异的重要基因（图2A）。在染色质可及性层面，成年人心脏的心房和心室间没有发现全局水平的区别。在对人类胚胎心脏和成年人心脏做比较时，发现在转录组及DNA甲基化组水平上，二者呈现明显的腔室特异性和发育阶段特异性（图2B），染色质可及性水平也存在发育阶段特异性。在人类心脏中鉴定得到的176个新的长非编码RNA（lncRNA）在胚胎及成体或心脏四腔室间表达水平不同（图2C）；房颤、肥厚型心肌病和先天性心脏病相关的基因也在人类胚胎和成年人心脏中呈现不同的时空表达模式。这表明心脏在多种组学层面上通过精确的时空表达和调控实现生理稳态。
图2 成年人心房与心室间基因体DNA甲基化呈现显著差异的重要基因（A）；人类心脏四腔室基于甲基化组（B）和新lncRNA（C）的分类图。
小鼠是研究心脏发育和心脏疾病最广泛使用的模式动物。虽然人类和小鼠心脏解剖学结构类似，但是心脏大小和电生理特点存在明显区别，早先的研究报道人类和小鼠的心脏对一些心血管药物响应不同，所以系统比较人类和小鼠心脏各种组学层面的异同点、进行跨物种分析十分必要。该研究发现，人类和小鼠心脏共享一些重要的心房与心室间的差异表达基因（图3）。小鼠心脏的甲基化组也和人类心脏类似，存在明显的腔室特异性。Myl2和Myl3的基因体在小鼠和人类心脏中都呈现心房中甲基化水平更高的现象。转录因子结合基序的富集分析也表明人鼠间共享一些关键的转录因子，这些转录因子组成了人鼠间心脏保守的调控网络。在此基础上，各物种也有自己特异性激活的转录因子。
图3 人鼠共享的心房心室间差异基因（A）和物种特异差异基因对应的基因功能富集分析（B）。
此外，该研究也对心脏中染色质可及性、甲基化组和转录组之间的关系进行了初步的探讨。研究发现，与早先的报道类似，人类胚胎及成年人心脏启动子区的染色质可及性水平与基因表达水平呈正相关性，甲基化水平与基因表达水平呈负相关性（图4A）。值得注意的是，在基因体上这种相关性不是单调的。人类胚胎及成年人心脏样品基因体甲基化水平与基因表达水平呈“钟形分布”（图4B）。这种分布模式背后的详细机理有待进一步研究。
图4 人心脏多组学在启动子区（A）和在基因体（B）的关系。
综上所述，该研究首次同时绘制了人鼠健康心脏四腔室的转录组、甲基化组和染色质开放闭合状态的多组学图谱，揭示了各种组学在人鼠心脏中的时空特性。该多组学图谱成为目前心脏其他组学图谱的重要补充，为心脏发育和疾病机制研究，生物标志物筛选以及治疗靶点的发现夯实了基础。
北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、生命科学学院博士研究生高俊鹏和前沿交叉学科研究院博士研究生郑宇轩为该研究论文的共同第一作者，北京大学未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）、生物医学前沿创新中心、生命科学学院文路副研究员与中国医学科学院阜外医院宋雷主任医师、王继征研究员为该论文的共同通讯作者。该研究项目得到了国家自然科学基金委和北京未来基因诊断高精尖创新中心的支持。
论文链接： https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001229
