STM | Beclin1在心肌重编程中的作用及分子调控机制

责编 | 酶美

在心肌梗死、心力衰竭的发生过程中心肌细胞（Cardiomyocytes，CMs）的丢失及瘢痕形成是主要的病理过程。哺乳动物出生后CMs的数目不再增加，成年CMs作为终末分化细胞不具备再生能力，因此一旦损伤则永久丧失。心源性转录因子（TFs）Mef2c，Gata4和Tbx5（MGT）可以直接将成纤维细胞重编程为诱导的心肌细胞（induced cardiomyocytes，iCMs），从而为心脏修复提供潜在的细胞来源，是一种非常有潜力的心脏再生治疗方法【1，2】。但是，心肌细胞重编程的效率较低，分子机制不甚清晰，极大限制了该技术的转化研究。

2020年10月21日， 北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC， Chapel Hill）钱莉教授团队在Science Translational Medicine上发表了题为Down-regulation of Beclin1 promotes direct cardiac reprogramming的研究论文（第一作者王丽博士）。该论文揭示了调控iCM命运转换的自噬依赖性和非依赖性途径。一方面，在iCM重编程中， Atg5依赖性自噬被诱导并且可以促进iCM的重编程。另一方面，自噬因子 Becn1与PI3K III复合物相互作用后可以抑制经典的Wnt /β-catenin信号通路，进而以与自噬无关的方式负调控iCM的诱导。

该研究表明ATG5依赖性的自噬在GMT诱导的iCM重编程中发挥着至关重要的作用。研究人员首先发现自噬在iCM重编程的早期被激活（第三天开始），然而自噬的激活又可以促进iCM的重编程。其次，敲低Atg5会显著抑制重编程中自噬的诱导并降低iCM重编程效率，这表明iCM重编程需要Atg5依赖的自噬调节。此外，研究发现在重编程的前8天敲低Atg5表达均可降低iCM的重编程效率。因此，Atg5可能在相关染色质表观遗传调控重排和iCM命运决定期间的早期发挥作用。作者之前的研究确定了iCM重编程的轨迹【3，4】，该轨迹要求去除细胞起始的纤维化特征并建立iCM相关的结构和代谢程序【5】，而本研究发现在亚细胞重建过程中存在细胞器（线粒体）更新的中间阶段；因此，在iCM命运转换的过程中自噬通过促进细胞成分循环回收重新利用来促进细胞重塑。

然而，在针对自噬信号通路的其他节点分析时发现， Becn1（自噬启动的关键调节因子）是诱导iCM的屏障分子，敲除Beclin-1可提高iCM的质量和数量。结合心梗模型和体内重编程模型，Beclin1基因缺失小鼠在接受重编程因子处理以后，其心梗面积和纤维化明显降低，心脏功能得到极大改善。对iCM重编程中自噬流的分析表明，在重编程的早期阶段（确定iCM命运阶段），Becn1缺失不影响自噬（前7天），但在iCM细胞命运已经建立的后期影响自噬。同时敲低Becn1和Atg5仍表现出高于对照组的重编程效率，提示Becn1在调控iCM命运决定的过程中与自噬无关。为了探索潜在的机制，研究人员通过RNAseq发现Becn1的缺失导致重编程细胞转录组的变化。细致分析发现下调Beclin-1表达可以提高经典的Wnt/β-Catenin信号通路相关分子的表达，引起β-Catenin核内聚集而提高Wnt通路的活性。此外，蛋白质组学研究显示Beclin-1与 PI3K III复合物相互作用，以抑制Wnt/β-Catenin信号传导，进而负调控iCM转化。

综上所述，该研究揭示了在iCM重编程中Atg5依赖性自噬的诱导作用以及Becn1介导的非自噬依赖的抑制作用。其中，Becn1被认为是iCM命运诱导的细胞屏障，并发现了涉及ULK1-PI3K复合物-Wnt /β-catenin信号网络的iCM诱导的调控机制。此项研究首次揭示细胞自噬对重编程的影响，阐释Beclin-1介导的全新的信号通路，同时为提升心肌细胞重编程效率、阐明重编程分子机制做出贡献，也为心肌再生的临床应用提供新的靶点和理论依据。

https://stm.sciencemag.org/content/12/566/eaay7856

制版人：嘉

参考文献

[1]Qian L, Huang Y, Spencer CI, Foley A, Vedantham V, Liu L, Conway SJ, Fu JD and Srivastava D. In vivo reprogramming of murine cardiac fibroblasts into induced cardiomyocytes.Nature, 2012, 485(7400):593-8

[2]Ma H, Wang L, Yin C, Liu J and Qian L. In vivo cardiac reprogramming using an optimal single polycistronic construct.Cardiovasc Res,2015, 108(2):217-9

[3]Liu Z, Wang L, Welch JD, Ma H, Zhou Y, Vaseghi HR, Yu S, Wall JB, Alimohamadi S, Zheng M, Yin C, Shen W, Prins JF, Liu J and Qian L. Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte.Nature, 2017, 551(7678):100-104

[4]Zhou Y, Wang L, Liu Z, Alimohamadi S, Yin C, Liu J and Qian L. Comparative Gene Expression Analyses Reveal Distinct Molecular Signatures between Differentially Reprogrammed Cardiomyocytes.Cell Rep,2017, 20(13):3014-3024

[5]Liu Z, Wang L, Welch JD, Ma H, Zhou Y, Vaseghi HR, Yu S, Wall JB, Alimohamadi S, Zheng M, Yin C, Shen W, Prins JF, Liu J and Qian L. Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte.Nature, 2017, 551(7678):100-104