Cell Stem Cell | 赵扬团队系统解析“在体重编程”诱导心肌再生的关键病理障碍

2026年3月 30日 ，北京大学赵扬研究 组在Cell Stem Cell上发表了题为Perturb-seq uncovers pathological obstacles to direct cardiac reprogramming in vivo的研究论文。 在这项研究中，研究者建立了一套专为研究在体微环境特异调控因子而设计的在体细胞命运扰动图谱构建方案，绘制了心梗区域“在体重编程”诱导心肌再生的细胞命运转化图谱，并从140个候选因子中锁定了首要障碍因子——钙网蛋白（Calreticulin, CALR）。研究发现， 心梗区域的应激响应激活CALR的表达，使其在内质网中大量驻留Ca 2+ ，降低胞质钙浓度和钙信号活性，进而抑制了关键重编程因子MEF2C的活性。通过 抑制CALR 或激活钙离子信号活性 能显著提升心肌重编程效率 和诱导心肌细胞的质量。Calr敲低 促进心梗后的 在体重编程效率，促进 心脏功能恢复，为 心梗的再生医疗 提供了 理论基础 和 有转化前景的新 靶点。

心肌梗死 是全球主要死亡原因之一 ，且发病率呈逐年上升趋势， 对患者生命造成重大威胁 。由于成 年哺乳动物 心脏的再生能力极其有限， 心梗区域的心肌因缺血坏死后取而代之的是心脏纤维化等病理过程。 利用 重编程 因子将 心梗 区 激活态心脏 成纤维细胞 “ 在体 ” 原位 诱导成 为功能性心肌细胞， 有望同时抑制心脏纤维化及实现心肌高效再生， 是再生医学领域的梦想。然而， “ 在体 重编程 ”较之培养皿中诱导重编程的难度更大。赵扬研究组近年来深耕“ 在体 重编程 ”的调控，报道了一系列可以提高心梗区激活成纤维细胞重编程效率的新因子和小分子，和周斌研究组合作利用严格的谱系示踪系统对其进行系统观测和验证（Circulation, 2023; iScience, 2023; Front Cell Dev Biol, 2020）；以及进一步揭示心梗微环境中免疫细胞（巨噬细胞、T细胞）及心脏纤维化相关因子等调控在体重编程的分子机制（Protein & Cell, 2024; Life Medicine, 2026）。然而， 复杂的病理微环境 因素仍像 一道道无形的屏障 使得在体重编程仍远达不到体外重编程的效果 ； 而传统的研究方法也只能先逐一提出候选因子假设，再依次开展基于谱系示踪体系的动物实验验证；每个候选因子的在体研究都耗费大量时间和资源，并且难以同批对比大量不同候选因子。这也 阻碍了 “ 在体重编程 ” 调控因子的快速解析及这一再生医疗策略从概念验证走向转化应用 。

图1. 基于细胞移植的 在体 Perturb-seq 揭示“在体重编程”首要障碍因子C ALR

“精准导航”——在体重编程诱导心肌再生的细胞命运扰动图谱

为了精准定位 在体重编程的层层 “路障”， 批量、系统地鉴定阻碍在体心脏重编程的关键因子 ，赵扬团队 建立了一套研究在体重编程的 Perturb-seq技术 流程 。 他们首先把目标范围缩小在131个候选基因上 —— 它们在病理环境中的表达量高于体外培养并被WGCNA分析判断为节点基因，并同时加上9个已报道因子作为参照。随后，将这140个因子的shRNA（每个候选因子选用2条shRNA，每条shRNA载体都带有唯一的分子标签）随着重编程因子和荧光蛋白阵列式地转导进入激活态心脏成纤维细胞内。研究者进一步把这些“同时植入多个重编程因子和不同分子标签”的成纤维细胞混合移植进入另 几只 小鼠的心梗区域，用Dox诱导重编程因子的表达，并分别在诱导重编程1周和2周时间点分离表达荧光蛋白的细胞样品进行 单细胞 全转录组联合分子标签的RNA测序，进而 成功构建了一张 贯穿在体重编程全过程 的“ 细胞命运 扰动图谱”。 “ 阵列式感染+ 细胞移植”的设计确保了在体重编程因子递送非常充分，且每种“扰动”的细胞比例也更为平均。

通过单细胞 RNA 测序 分析 ， 研究者首先 系统性地绘制了从成纤维细胞向心肌细胞 命运及其它亚型 转化的细胞命运图谱。研究团队发现，在心肌梗死的病理背景下， 仅有小部分 细胞向心肌命运演进 。 大量成纤维细胞 由于微环境的干扰而陷入“病理” 状态，如特定亚群高表达干扰素响应基因 。通过对 这一细胞命运图谱 的深入解析，研究人员得以在分子水平上定义重编程 过程中 的不同 细胞状态 ，为后续寻找拦截细胞命运转化的“幕后黑手”提供了高 精度 的 细胞 命运 座标系。

通过分析扰动因子对应分子标签的分布， 这一图谱清晰地展示了不同 扰动 因子 对细胞命运走向的 调控作用 。通过计算每一个扰动因子在命运轨迹上的富集程度，研究人员发现，抑制特定的基因能够显著改变细胞的演化方向，使其绕过病理阻碍 、 更高效地诱导特定细胞亚群，包括诱导心肌细胞 。 这个图谱还提供了将这100多个因子进行头对头对比的机会，可以针对任意细胞群 排序 候选调控因子的作用效果。

“罪魁祸首”——CALR，成纤维细胞向心肌转分化的“刹车片”

在这一信息 含量丰富 的扰动图谱中 ，钙网蛋白（ Calr ） 在心肌样细胞群中高度富集，被鉴定 为阻碍心肌 样细胞亚群产生 的 首要障碍 因子。CALR通常定位于内质网， 调控 钙离子的储存和蛋白质折叠 ， 同时也可以定位于胞质，是递呈给巨噬细胞的“吃我”信号 。研究人员发现，在心肌梗死区域的成纤维细胞中，CALR的表达水平显著升高，且这一现象在人类心梗患者的样本中同样存在。这意味着，CALR 的激活表达作为细胞应激 后的反应，却 可能 在 “ 无意中 ” 成为了心肌再生的“刹车片”。

上述猜想 通过 体内、外 功能实验 得以 验证 。 研究团队 验证 了 敲低 Calr 能显著提升 体内和体外场景下 的 重编程 诱导效率。更令人振奋的是，这种提升不仅体现在数量上，更体现在质量上： Calr 的 敲低 使得 诱导性心肌细胞在体外 展现出前所未有的同步钙信号振荡，这意味着它们在功能上更接近 功能性 心肌细胞。 此外，Calr敲低联合其他重编程因子的共同作用下，原本极难被诱导为心肌的激活态心脏成纤维细胞实现了近70%的心肌诱导效率。在体重编程实验也显示，Calr敲低也同样提高心肌样细胞的在体诱导效率达一个数量级，达到10-20%。且在人类心脏成纤维细胞上，Calr敲低也同样大幅提高重编程效率。

“机制 揭秘 ”——病理应激 激活Calr通过 Ca 2+ 信号调控MEF2C活性

那么， CALR 是 如何 调控成纤维细胞向心肌命运的重编程 呢？

研究 团队分析了多个线索，逐步将其定位于Ca 2+ 信号通路 的调控上。 敲低CALR会导致内质网向胞质释放 Ca 2+ ，引起胞质内 Ca 2+ 浓度的 阶段 性 提升 。这种钙信号的 大幅提升 激活了下游的CaM/CaMKIIδ通路。最为关键的是， 无论是Calr敲低还是 通过L型 Ca 2+ 通道激动剂提升 胞内Ca 2+ 浓度 ，都 显著增强了重编程核心转录因子MEF2C的转录活性 ， 解释了它们大幅提升重编程效率的原因 。在某种程度上， Calr敲低或者 Ca 2+ 激活甚至可以替代外源MEF2C， 借助心脏成纤维细胞中原本就内源低表达的MEF2C， 并 通过加强其活性来 驱动成纤维细胞跨越命运鸿沟， 顺利 向心肌细胞转化。这一 机制还 将胚胎时期的心 肌 发育机制与病理环境下的再生过程联系了起来，证明了“重启”发育程序是实现高效再生的有效途径。

图2. 应激信号通过调控钙离子浓度的时空调控影响心脏重编程的机制解析

技术革新与未来展望

该 研究 是首次将perturb-seq应用于“在体重编程”的研究，为“在体重编程”领域寻找更多调控靶点提供了新的技术框架，提示了直接在病理环境下研究在体重编程的重要性。尤其该研究绘制了心脏成纤维细胞向心肌以及多个成纤维细胞亚群之间命运转化的调控因子图谱；对大量候选因子进行了在体重编程效果的“头对头”对比； 揭示了CALR 在 “ 在体重编程 ” 诱导 心脏修复 再生 中的核心作用 及其通过调控Ca 2+ 通路进而作用于细胞命运核心转录因子活性的 分子机制 。这一进展为 治疗心梗“在体重编程”策略 提供了坚实的科学依据 ， 并提供了 具有临床 应用 潜力的 新 靶点 。

北京大学 未来技术学院分子医学研究所 蔡依泓 （ 20 22 级博士生 ） 、杨洋 （ 博士后 ） 、杨峻博 （ 2019级博士生 ） 为 论文 共同第一作者，北京大学赵扬 研究员 为通讯作者。

https://www.cell.com/cell-stem-cell/abstract/S1934-5909(26)00116-5

制版人： 十一

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