在中國海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所的實(shí)驗(yàn)室，一群藍(lán)銀相間的熱帶淡水魚正在透明實(shí)驗(yàn)水箱中游弋。這群看似十分普通、身形纖細(xì)、最長不過4厘米的觀賞魚，就是中國海洋大學(xué)教授蘇穎和趙龍團(tuán)隊(duì)長期研究的核心對象——斑馬魚。
心臟是生命的永動(dòng)機(jī)，和大多數(shù)成年哺乳動(dòng)物一樣，人的心肌細(xì)胞一旦受損或缺失便難以補(bǔ)充、修復(fù)。可神奇的是，斑馬魚卻擁有一個(gè)可再生的心臟。
“它們的心臟可在損傷后通過一系列細(xì)胞生物學(xué)事件來生成新的心肌細(xì)胞及其他類型的心臟細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的完全恢復(fù)。”趙龍向《中國科學(xué)報(bào)》介紹道，“解析再生過程的細(xì)胞動(dòng)態(tài)與分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，被視為破解心臟再生醫(yī)學(xué)難題的關(guān)鍵突破口。”
近5年時(shí)間，為了揭開這個(gè)心臟再生的奧秘，中國海洋大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合青島華大基因研究院潛心繪制了斑馬魚心臟再生單細(xì)胞與時(shí)空轉(zhuǎn)錄組圖譜。研究成果于近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》，并被選為重點(diǎn)推薦文章，編入《臨床與轉(zhuǎn)化研究》特刊。該成果開創(chuàng)性地揭示了心臟再生的分子機(jī)制，被國際同行評價(jià)為"再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要突破"。
3D心臟影像
斑馬魚心臟再生過程的單細(xì)胞與時(shí)空轉(zhuǎn)錄組圖譜構(gòu)建
發(fā)現(xiàn)斑馬魚擁有心臟再生的“超能力”
在心臟疾病研究領(lǐng)域，哺乳動(dòng)物模型是主流。
“斑馬魚這種非凡的心臟再生能力在2002年《科學(xué)》期刊中被報(bào)道后，迅速成為領(lǐng)域的重要范式.”趙龍談道，“此次研究方向就是基于這20多年研究積累，結(jié)合近年飛速發(fā)展的空間組學(xué)和單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)的發(fā)展確定的。”
最初接觸斑馬魚，是20多年前蘇穎和趙龍還在清華園做研究生時(shí)。“在導(dǎo)師孟安明院士指導(dǎo)下，我們當(dāng)時(shí)研究斑馬魚的胚胎發(fā)育過程，其中就包括心臟的發(fā)育。”后來趙龍出國做博后，轉(zhuǎn)向斑馬魚再生方面的研究。
2016年和2019年，蘇穎和趙龍先后入職中國海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所，帶著幾位研究生一起進(jìn)行心臟再生研究。
團(tuán)隊(duì)成員用剪刀切除斑馬魚20%左右的心室部分，或是用液氮局部冷凍損傷心臟（模擬人類心肌梗死）后，再將這些心臟受損的斑馬魚放回養(yǎng)殖系統(tǒng)正常飼養(yǎng)。一段時(shí)間后，他們發(fā)現(xiàn)，前者被切除的心室可以重新長出，并完全恢復(fù)了心臟結(jié)構(gòu)和功能，后者的心臟經(jīng)過更長的時(shí)間也同樣能完成再生并恢復(fù)如初。
這種再生能力，正是人類心臟缺失的“超能力”。
為了更加透徹地了解這種“超能力”，蘇穎和趙龍進(jìn)一步明確了研究內(nèi)容：完成從時(shí)間尺度和空間尺度上對斑馬魚心臟再生全過程的、全器官層面的細(xì)胞動(dòng)態(tài)與基因表達(dá)變化情況的系統(tǒng)刻畫。
趙龍介紹道：“隨著現(xiàn)代組學(xué)手段的飛速發(fā)展，我們具備了條件進(jìn)行這樣的嘗試。”就此，他們逐漸走上了對斑馬魚心臟再生的“超能力”探索之路。
團(tuán)隊(duì)成員做實(shí)驗(yàn)
揭開心臟再生的時(shí)空密碼
2020年左右，空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。在華大基因研究院的支持下，項(xiàng)目從2021年開始進(jìn)行初步技術(shù)摸索，后續(xù)陸續(xù)產(chǎn)出了各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的多組學(xué)數(shù)據(jù)，到2023年正式進(jìn)入集中研究階段。
“我們的研究分三步：厘清斑馬魚心臟損傷前后細(xì)胞類型及其分子特征—刻畫這些細(xì)胞在關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的變化，找出對心臟再生特別重要的細(xì)胞類型和基因，探究其功能和生物學(xué)運(yùn)行機(jī)制。”蘇穎向《中國科學(xué)報(bào)》介紹。
研究中，團(tuán)隊(duì)借助空間轉(zhuǎn)錄組（Stereo-seq）和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）這兩項(xiàng)“黑科技”，首次構(gòu)建了斑馬魚心臟再生全過程全器官的，包含時(shí)間和空間維度的，高分辨率細(xì)胞與基因表達(dá)動(dòng)態(tài)圖譜。
這就像給心臟做了一個(gè)動(dòng)態(tài)的“3D基因地圖”，不僅能知道損傷修復(fù)過程中有哪些細(xì)胞和基因活躍或沉默，還能精確定位它們發(fā)生這些變化的時(shí)間和位置。
令人振奮的是，團(tuán)隊(duì)依照圖譜，結(jié)合分子、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，鎖定了一個(gè)名為tpm4a的關(guān)鍵基因。巧合的是，這個(gè)tpm4a基因恰巧是趙龍的博士論文研究對象，他當(dāng)時(shí)已經(jīng)解析了其在胚胎期心臟發(fā)育中的功能。
團(tuán)隊(duì)迅速從孟安明院士那里要來了這個(gè)突變體品系，通過分析發(fā)現(xiàn)，心臟受損后降低該基因的活性，斑馬魚的新生心肌細(xì)胞再分化功能顯著下降。這樣，經(jīng)過了10余年，團(tuán)隊(duì)對tpm4a在心臟中的功能認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)了從發(fā)育到再生的一個(gè)閉環(huán)。
為了更直觀地展示心臟再生過程，研究團(tuán)隊(duì)用研究數(shù)據(jù)構(gòu)建了具有時(shí)間序列的虛擬三維斑馬魚心臟，首次讓斑馬魚心臟再生過程中細(xì)胞類型、基因表達(dá)的時(shí)空演變規(guī)律擁有了一種數(shù)字化呈現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)也被收錄到公共平臺，供領(lǐng)域內(nèi)研究人員隨時(shí)使用，為再生醫(yī)學(xué)研究提供了強(qiáng)大工具與資源支撐。
最終，他們的這一成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》，并被評價(jià)為“再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要突破”。
中國海洋大學(xué)團(tuán)隊(duì)合影
心臟也能“長回來”？
科研探索永無止境。有了海量的數(shù)據(jù)支撐，蘇穎和趙龍的課題組也明確了下一步研究工作的重點(diǎn)——有目的性地對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入發(fā)掘和分析，從中提煉出高價(jià)值的信息，并在實(shí)踐中證明重點(diǎn)細(xì)胞類型和基因的功能與機(jī)制。
科研突圍，距離“人類心臟再生”還有多遠(yuǎn)？蘇穎和趙龍對實(shí)驗(yàn)室初創(chuàng)時(shí)期的困難歷歷在目。當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)里幾位研究生都是剛接觸再生生物學(xué)的新人，生物信息學(xué)基礎(chǔ)薄弱、心臟再生領(lǐng)域知識匱乏……面對心臟再生領(lǐng)域最前沿的時(shí)空組學(xué)技術(shù)研究，他們只能硬著頭皮，一邊學(xué)習(xí)新知識，一邊嘗試分析數(shù)據(jù)、摸索研究方法。
論文第一作者、海大博士生蘆美娜對記者回憶說：“當(dāng)時(shí)遇到最棘手的問題，是把數(shù)據(jù)分析和相關(guān)科學(xué)問題結(jié)合起來。這不僅需要掌握復(fù)雜的分析技術(shù)，還得熟悉大量相關(guān)的專業(yè)知識。”
為攻克這個(gè)難關(guān)，課題組所有人都大量閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，從文獻(xiàn)洪流中打撈出有用的內(nèi)容。
論文另一位共同第一作者、海大博士生張雪嬌負(fù)責(zé)空間轉(zhuǎn)錄組的制樣，尤其是在構(gòu)建3D心臟樣品中，需要將一個(gè)心臟通切成連續(xù)的近200片切片。更困難的是為了最大限度利用空轉(zhuǎn)的芯片，需要在每一張芯片上貼上6-9張心臟切片。由于切片位置不可二次調(diào)整，當(dāng)時(shí)剛?cè)雽W(xué)半年還是研一的張雪嬌反復(fù)練習(xí)1個(gè)多月，最終成功實(shí)現(xiàn)191片心臟切片的零失誤切割，且全部精準(zhǔn)貼在空轉(zhuǎn)的芯片上。
在論文作者列表里，中國海洋大學(xué)與華大基因團(tuán)隊(duì)的深度合作赫然在目。海大研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)科學(xué)問題提出、整體研究方向把控、部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理以及全部的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；華大團(tuán)隊(duì)，尤其是厲磊和郭立東兩位博士高效出色地完成了數(shù)據(jù)處理分析工作和三維心臟的構(gòu)建。通過雙方的資源與技術(shù)互補(bǔ)，通力合作完成了這一研究。
對于整個(gè)團(tuán)隊(duì)來說，發(fā)現(xiàn)tpm4a在心臟再生中的功能只是開始。有些動(dòng)物的心臟在受傷后能自己長好，比如成體斑馬魚和出生后1天的小鼠，但出生8天后的小鼠和人類這些的心臟卻不行。通過對比這兩組心臟修復(fù)過程，他們找到了兩個(gè)可能直接關(guān)聯(lián)心臟可再生能力的關(guān)鍵基因——ifrd1和atp6ap2。這些基因的發(fā)現(xiàn)“為臨床心血管疾病治療研究提供了潛在的靶標(biāo)”，也提示后續(xù)或許可以通過藥物等方式“激活”人類心臟中類似的修復(fù)基因，讓受損心臟實(shí)現(xiàn)再生。
“我們希望進(jìn)一步挖掘鑒定更多潛在功能基因和細(xì)胞類型，重點(diǎn)關(guān)注這些基因與細(xì)胞的功能分析與機(jī)制研究。”趙龍說，“針對這些基因進(jìn)行功能研究，尋找并鑒定可能的提高心臟再生能力的靶標(biāo)，助力心臟再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展。”
論文相關(guān)信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59070-0
（受訪者供圖）
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