Science | 吴明福团队揭示类隧道纳米管结构调控心脏发育中远距离细胞互作机制

心脏发育是一个高度动态且精密调控的过程，其核心依赖于心肌层（Myocardium）与心内膜层（Endocardium）之间的精确的信号交互【1】。这两层结构由一种称为心脏胶质（Cardiac Jelly）的非细胞基质分隔开，诸如Notch1、VegfA和Nrg1等信号通路，其配体和受体分别分布在这两层心肌层和内膜层【2-4】。以前人们普遍认为Notch signaling只被同在内膜层的Delta4配体激活，最新研究表明Notch信号通路可以被位于心肌层的Jag1/Jag2配体激活。然而，这种跨物理距离实现信号交互的机制仍然知之甚少。传统理论认为其通信依赖于分泌型配体的扩散或与膜受体接触，然而，这无法满足在跨越数十微米的物理屏障下实现信号分子的高效传递。因此，在早期胚胎心脏发育中如何实现细胞间的远距离通信一直是心脏发现与过程中的未解之谜。

2025年3月14日，来自休斯顿大学的吴明福团队在Science发表题为“Tunneling nanotube-like structures mediate long-distance intercellular communication during cardiac morphogenesis”的研究论文，首次揭示了类隧道纳米管结构（Tunneling Nanotube-like Structures,TNTLs）在心脏发育中调控心肌-心内膜远距离互作的关键作用，并解析了其形成机制与功能。

TNTLs：跨越心脏胶质的“信号高速公路”

研究团队通过细胞-细胞直接接触遗传标记（Genetic labeling of cell-cell contact )方法证实心肌层与心内膜层之间存在直接接触， 然后通过遗传标记技术结合先进成像技术，在小鼠胚胎心脏中捕捉到一类此前未被报道的亚细胞结构-TNTLs。这些微管状结构从心肌细胞（Cardiomyocytes, CMs）延伸而出，穿透心脏胶质层并锚定于心内膜细胞（Endocardial Cells, ECs），形成跨越两层细胞的物理连接（图1），从而实现信号传递和细胞质蛋白转运。

图1. TNTLs连接心肌层与心内膜层的结构示意图

在小鼠胚胎发育过程中，TNTLs最早在胚胎第8天（E8.0）便开始在CMs与ECs之间形成。通过高分辨率激光共聚焦成像、电镜（EM）及冷冻电镜（cryo-EM）成像，团队对TNTL内的丝状结构进行了表征描述，并推测TNTL中含有肌动蛋白丝。

Cdc42为肌动蛋白驱动TNTL形成的关键调控因子

为了解TNTLs的构成及形成机制，团队首先从早期胚胎心脏中提取的原代细胞（主要是心肌细胞和心内膜细胞）用于体外共培养，通过对Tubulin Tracker（一种可以对活细胞进行染色的微管蛋白标记物）和LifeAct（一种对肌动蛋白丝进行标记的腺病毒）对活细胞进行染色， 团队发现在体外共培养中心肌细胞和心内膜细胞形成的TNTLs不含微管蛋白，但富含肌动蛋白丝。随后团队构建了一种能够用荧光标记肌动蛋白丝的转基因小鼠模型，并在体内首次确认了TNTL中存在肌动蛋白丝。随后团队使用CK-666（一种肌动蛋白相关蛋白复合物抑制剂）抑制小鼠胚胎和体外共培养的细胞中肌动蛋白丝的聚合，结果显示TNTL的形成受到抑制，证实了TNTL的形成依赖于肌动蛋白。 此外，考虑到小型鸟苷三磷酸酶Cdc42是肌动蛋白动力学所必需的，团队对小鼠胚胎心肌细胞中的Cdc42进行了特异性性敲除，结果显示突变型小鼠胚胎心脏中TNTLs的数量和长度均显著减少，进一步验证了TNTL的形成需要肌动蛋白，且证实了Cdc42是TNTL组装的关键基因。

TNTLs在心脏发育早期的功能：信号传递与形态发生

研究进一步揭示了TNTLs的两大功能：

1.信号通路的激活

通过对两千多个活细胞进行追踪，团队捕捉到了TNTL从CMs发生并连接ECs的瞬间，随后Notch信号通路活化的标记物CBF:H2B-Venus显示绿色荧光，即Notch信号通路被激活。该结果提示TNTLs通过连接CMs和ECs实现Notch信号通路的受体（Notch1）和配体（Jag1/Jag2）结合，从而激活Notch信号通路。当TNTLs在胚胎早期被破坏时，激活的 Notch信号活性降低70%。 该发现提供了心脏发育早期细胞信号传导的新理论，打破了Notch信号激活仅依赖心内膜Delta4配体的传统观点。此外，团队的研究还显示当TNTLs被破坏后， Nrg/ErbB2&4-, VegfA/Vegfr, Angiopoietin/Tie2的激活也被抑制。证实了TNTLs在心脏发育早期对于信号通路的激活至关重要。

2.细胞质成分的跨层运输的“高速公路“

通过荧光蛋白示踪实验，团队发现TNTLs可转运小分子细胞质蛋白（如LifeAct，CD9等）和信号囊泡，但未发现肌球蛋白X（Myosin X）等大分子复合物的转运，提示其运输机制可能存在选择性。通过光漂白荧光恢复成像技术（FRAP），团队发现TNTLs可实现Notch配体Jag1从CMs到ECs的单向传输。TNTLs是否提供信号的双向传输有待进一步验证。

3.心脏发育早期TNTL缺失引发心脏发育缺陷

功能研究表明，仅在发育早期（E8.0~E8.75）心脏特异性敲除Cdc42或通过CK-666破坏TNTLs后，小鼠胚胎心脏出现严重发育缺陷： 即在E9.5时小梁形成受阻，表现为突变型小鼠胚胎心脏中小梁数量和对照组相比显著减少，而在E9.0及之后敲除Cdc42或通过CK-666处理并未导致心小梁形成缺陷。这些表型与临床先天性心脏病（如左心发育不全综合征，左心室致密化不全）紧密相关。团队此前的研究成果表明，心肌细胞方向和细胞定向分裂对于心小梁的发生至关重要，然而对于调控心肌细胞方向和定向分裂的机制一直知之甚少。而团队此次研究成果说明TNTLs可能是潜在的调控心肌细胞方向和定向分裂的关键，提示TNTLs在心脏发育早期的功能障碍可能是相关疾病的潜在诱因。

本研究首次证实TNTLs是心脏发育中远距离细胞互作的“桥梁”，其发现突破了传统分泌信号理论的局限，为理解器官发生提供了全新视角。

通讯作者吴明福教授指出：“

TNTLs

可能广泛存在于其他组织

（如血管、神经）

的发育过程中，其调控机制与再生医学、癌症转移等领域的关联值得深入探索。

休斯顿大学苗连杰助理教授为论文第一作者，休斯顿大学吴明福教授为通讯作者。

招聘启事

休斯顿大学药学院Mingfu Wu实验室诚聘具有分子生物学、发育生物学或神经生物学背景的博士后研究人员1-2名， 博士研究生1-2 名。所需材料：1.本人详细的学习和工作简历。2.三位专家的推荐信或者联系方式。联系方式：请将应聘材料发送至 mwu25@central.uh.edu

http://doi.org/10.1126/science.add3417

参考文献：

1. Olson, E.N. (2006). Gene regulatory networks in the evolution and development of the heart. Science 313, 1922-1927. 10.1126/science.1132292.

2. Grego-Bessa, J., Luna-Zurita, L., del Monte, G., Bolos, V., Melgar, P., Arandilla, A., Garratt, A.N., Zang, H., Mukouyama, Y.S., Chen, H., et al. (2007). Notch signaling is essential for ventricular chamber development. Dev Cell 12, 415-429. 10.1016/j.devcel.2006.12.011.

3. Ferrara, N., CarverMoore, K., Chen, H., Dowd, M., Lu, L., Oshea, K.S., PowellBraxton, L., Hillan, K.J., and Moore, M.W. (1996). Heterozygous embryonic lethality induced by targeted inactivation of the VEGF gene. Nature 380, 439-442. 10.1038/380439a0.

4. Lee, K.F., Simon, H., Chen, H., Bates, B., Hung, M.C., and Hauser, C. (1995). REQUIREMENT FOR NEUREGULIN RECEPTOR ERBB2 IN NEURAL AND CARDIAC DEVELOPMENT. Nature 378, 394-398. 10.1038/378394a0.

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