Nucleic Acids Res 上海九院张家毓/卞迁教授和第四军医大学马恒教授合作揭示端粒短缩在心肌细胞衰老中的重要作用

端粒是由染色体末端的庇护蛋白复合物结合的串联DNA重复序列(TTAGGG)，其功能是保持基因组的完整性和稳定性。极短的端粒会引发持续的DNA损伤反应，诱导细胞衰老，并被认为是衰老的标志。短端粒与人类衰老相关的病理有关, 尽管越来越多的证据表明短端粒与心血管疾病相关，但端粒是否直接或间接参与疾病进展仍不清楚。之前的研究证明，在小鼠、遗传性和非遗传性心肌病患者样本和人类诱导多能干细胞衍生的疾病心肌细胞中，端粒会出现不依赖于细胞分裂的短缩，然而，缩短的端粒如何独立于基因突变驱动心功能障碍仍不明确。染色体三维结构的调节对发育、衰老和疾病过程中基因表达起到重要作用，缩短的端粒是否可以通过调节染色体三维结构进而对心肌细胞产生影响目前仍不清楚。

2024年4月18日，上海交通大学医学院附属第九人民医院/上海精准医学研究院张家毓教授、卞迁教授和第四军医大学马恒教授团队合作在《核酸研究》Nucleic Acids Research上发表了“端粒缩短增强近端粒染色质开放性诱发FOXC1依赖的心肌衰老(Proximal telomeric decompaction due to telomere shortening drives FOXC1-dependent myocardial senescence)”的研究论文，该研究发现端粒短缩可以在三维结构上调节心肌细胞染色质，上调端粒附近基因表达，并确定短端粒驱动心肌加速衰老的关键因素FOXC1，进一步揭示了端粒在非分裂心肌细胞中的作用。

首先，作者检测了正常和心力衰竭患者心肌的端粒长度，发现在心衰患者中端粒长度缩短。进一步构建了具有短端粒的心肌细胞模型，在使用端粒酶抑制剂处理多能干细胞后分化成心肌细胞，这些细胞的端粒与对照组相比明显缩短并出现衰老相关标志物p21和p16蛋白的显著上调、细胞大小增加以及SA-β-Gal活性增加。接下来，作者评估了单个、单层和3D培养微组织(MTs)的心肌细胞的收缩以及线粒体呼吸功能。结果显示，短端粒的心肌细胞表现出收缩力减慢，跳动频率的增加，此外，与正常心肌细胞相比显示出更低的线粒体呼吸能力。

为了评估缩短的端粒如何改变心肌细胞的染色质构象和基因表达，作者对正常心肌细胞和具有短端粒的心肌细胞进行了高通量染色体构象捕获技术(Hi-C)和RNA-seq分析。结果显示，端粒缩短确实会引起心肌细胞中的染色质构象改变，导致染色体间相互作用明显减少。有趣的是，与远离端粒的区域相比，短端粒心肌细胞近端粒区域(5Mb)的绝缘评分显著降低，这说明端粒缩短可以诱导染色体末端的染色质构象改变。作者进一步评估了端粒末端拓扑相关结构域(TAD)的变化，结果显示在短端粒心肌细胞中近端粒区域内的TAD内部和相互之间作用都出现了减少，端粒的短缩会引起近端粒末端染色质相互作用的丢失。在差异表达基因中，KEGG通路分析显示，与细胞因子应答、离子转运调节、氧化磷酸化和细胞粘附相关的基因显著富集。有趣的是，通过分析差异基因的基因组位置，作者发现靠近端粒末端的基因表达上调更多，短端粒心肌细胞在近端粒5Mb范围内的基因表达平均上调约7倍。通过联合分析端粒Hi-C以及RNA-seq结果显示，越接近端粒末端，基因表达的上调与TAD insulation的下降越明显。

最后，作者找到转录因子FOXC1在短端粒心肌细胞中显著上调, 通过对病人心衰组织芯片进行端粒TelC Q-FISH和免疫组织化学染色，验证了端粒长度与FOXC1之间的相关性。使用慢病毒在正常心肌细胞或者短端粒心肌细胞中对FOXC1进行调节。结果显示，FOXC1过表达会导致衰老标志物p21/p16和SA-β-gal阳性心肌细胞的比例显著增加，线粒体氧化呼吸能力降低，收缩失调；相反，在衰老心肌细胞中下调FOXC1改善了心肌功能。为了进一步揭示FOXC1对心肌转录组的影响，作者对过表达FOXC1的心肌细胞进行了RNA-seq检测。与对照组相比，FOXC1过表达导致炎症相关基因上调，心肌收缩和线粒体氧化呼吸相关基因显著下调。总之，这些结果表明FOXC1的上调驱动心肌细胞衰老、线粒体功能降低和收缩功能障碍。

综上，这项工作揭示了在非分裂心肌系统中端粒缩短可以诱导染色体末端的染色质构象改变，近端粒区域内的TAD内部和相互之间作用减少，并通过上调FOXC1驱动心肌细胞的线粒体功能降低，收缩失调以及心肌细胞的加速衰老。

该研究由上海交通大学医学院附属第九人民医院/上海精准医学研究院张家毓教授、卞迁教授和第四军医大学马恒教授团队合作完成。上海精准医学研究院李宾助理研究员、熊蔚瑶博士、左武博士后和石元元助理研究员为共同第一作者，张家毓教授、卞迁教授和马恒教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、上海浦江人才计划等项目资助。

原文链接：

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkae274/7650606?login=false