JCI丨罗文团队合作揭示心脏冠状动脉形成的转录调控新机制

冠状动脉负责为心肌供给氧气与营养，其正常发育对胚胎心脏建成及出生后心功能稳态维持至关重要。已有研究证实，心内膜是冠状动脉内皮细胞的重要祖源之一【1】。 心脏发育期间，部分心内膜细胞获得尖端细胞（tip cell）特征，迁入心肌层并依次发生心内膜 - 间质转化（Endo-MT）与动脉化分化，最终构建冠状动脉网络【2, 3】。 尽管 NOTCH、VEGF、BMP、TGF-β、CXCL12 等多条信号通路已被报道参与冠状血管发育【1， 3-6】， 但心内膜特异性转录因子如何整合上述信号，协同调控细胞命运转换、定向迁移及动脉化进程，进而介导冠状动脉形成，其转录调控机制尚不明确 。

近日，南京大学 现代生物研究院罗文教授联合南京大学医学院杨中州教授等团队， 于国际期刊Journal of Clinical Investigation（JCI）发表题为 Endocardial transcription factor HAND2 orchestrates hypoxic and TGF-β signaling to modulate coronary artery formation 的研究 论文 ，揭示心内膜转录因子 HAND2 调控冠状动脉发育的全新机制。该研究证实，HAND2 可整合缺氧/HIF 与TGF-β/p38MAPK 信号通路，协同调控心内膜细胞迁移、命运转换及动脉化进程，进而保障冠状动脉正常形成。

为解析心内膜调控冠状动脉形成的核心转录因子及其分子机制，研究人员对多起源心脏内皮细胞开展转录组分析，发现心内膜来源细胞具备独特的转录特征，并筛选得到在心内膜中特异性富集的转录因子 HAND2 与 GATA4 。已有研究提示 HAND2 参与心脏形态建成，然而其在冠状动脉发育中的具体功能尚不明确。本研究证实 HAND2 在发育阶段的心内膜中持续表达，提示其可能是调控心内膜细胞命运与冠状动脉发生的关键调控分子。

为明确其功能，研究者构建心内膜 / 内皮特异性 Hand2 敲除小鼠模型，发现 Hand2 缺失可诱发严重的冠状动脉发育缺陷，同时伴随显著的心室心肌致密化不全（ ventricular noncompaction ）表型，并最终造成胚胎致死。 Hand2 敲除小鼠冠状动脉的血管密度、分支形成及主干血管构建均受到显著抑制。谱系示踪结果进一步显示，心内膜源性 Hand2 缺失对冠状动脉发生的干扰效应尤为突出，提示心内膜 HAND2 是调控冠状动脉发育的重要上游转录因子。

为深入揭示 Hand2 缺失诱发冠状动脉发育异常的深层分子机制，研究人员整合转录组测序（RNA-seq）与单细胞转录组测序（ scRNA -seq）开展系统性分析。结果显示， Hand2 缺失可显著重塑心脏内皮细胞的整体转录格局，其中缺氧/HIF-1信号通路及糖酵解相关分子程序被异常激活，而TGF-β、MAPK信号通路及内皮-间质转化（Endo-MT）相关程序则显著下调。值得注意的是， Hand2 缺失并未造成尖端细胞（tip cell）数量减少，反而使其异常增多，但该部分细胞完全丧失了向心肌深层浸润迁移的能力，同时Endo-MT进程与细胞外基质（ECM）重塑过程显著受阻。上述结果表明， Hand2 缺失并非单纯引发血管萌发不足，而是导致心内膜细胞命运停滞，使其异常滞留于tip cell活化状态，无法顺利完成后续的定向迁移与细胞命运转换，最终阻碍冠状动脉的正常形态建成。

进一步机制验证结果显示， Hand2 缺失可显著上调HIF1α、HIF2α的表达水平，并激活其下游缺氧应答与糖酵解相关靶基因的转录。为明确HIF通路的介导作用，研究人员通过遗传学手段特异性抑制HIF1α/HIF2α通路活性。结果发现，抑制HIF通路可显著挽回 Hand2 缺失所致的冠状动脉畸形与心肌发育缺陷，有效下调异常活化的tip cell及缺氧、糖酵解相关基因的表达，同时逆转受抑的Endo-MT进程与ECM重塑能力。综上表明，HAND2可通过拮抗内皮细胞异常的HIF介导缺氧代谢程序，维持心脏内皮细胞的正常生理稳态，为冠状动脉有序发育提供基础保障。

在明确HAND2-HIF轴的调控作用后，本研究进一步探究了HAND2调控心内膜细胞迁移与动脉化的核心机制。研究人员通过CUT&Tag技术解析HAND2的基因组结合特征，发现HAND2可广泛结合基因启动子区域。结合RNA-seq与CUT&Tag联合分析证实，HAND2可直接靶向调控TGF-β、MAPK信号通路、心脏形态建成及间质细胞分化等一系列关键基因。机制研究表明， Hand2 缺失可显著抑制TGF-β信号通路活性，并下调其下游SMAD2/3、ERK、p38等关键分子的磷酸化水平与通路活性，提示HAND2可通过激活TGF-β/p38MAPK信号轴，正向调控心内膜细胞的Endo-MT进程与定向迁移能力。

为在功能层面验证该调控机制，研究人员对 Hand2 突变胚胎给予外源性重组TGFβ2蛋白干预。结果显示，TGFβ2处理可剂量依赖性地修复 Hand2 缺失引发的冠状动脉与心肌发育缺陷，有效恢复紊乱的动静脉分化及Endo-MT/ECM重塑相关基因程序，抑制异常活化的tip cell相关基因表达，重新激活心内膜来源细胞向心肌深层的定向浸润迁移能力，充分证实TGF-β通路介导了HAND2对冠状动脉发育的调控作用。

综合以上结果，本研究建立 HAND2 调控冠状动脉形态建成的双重调控模型：HAND2 双向协同调控冠脉发育，既拮抗内皮细胞过度活化的 HIF / 缺氧 - 糖酵解信号，防止 tip cell 蓄积滞留；又维持 TGF-β/p38MAPK 通路活性，保障 Endo-MT、ECM 重塑、心内膜细胞定向迁移与动脉化分化。Hand2 缺失会破坏该稳态，造成 HIF 缺氧代谢信号异常激活、tip cell 蓄积，同时 TGF-β/p38MAPK 通路抑制、细胞迁移与命运转换受阻，最终诱发冠脉发育缺陷及心室心肌致密化不全。本研究明确心内膜 HAND2 为冠脉发育关键上游调控因子，证实抑制 HIF 或补充 TGFβ2 可挽救相关血管畸形，该双重信号轴具备疾病干预潜力，为心血管发育与血管新生相关疾病研究提供新思路。

南京大学现代生物研究院王慧娟 和 张皞晟 为 论文 共同 第一作者， 南京大学现代生物研究院 为 罗文 教授 和 南京大学医学院 杨中州 教授为共同 通讯作者 。 该项工作获得南京大学现代生物研究院程远明教授的支持与帮助。

原文链接：https://www.jci.org/articles/view/203310

制版人：十一

参考文献

1. D'Amato, G. et al. Endocardium-to-coronary artery differentiation during heart development and regeneration involves sequential roles of Bmp2 and Cxcl12/Cxcr4.Dev Cell57 , 2517-2532 e2516 (2022).

2. Tang, J. et al. Extension of Endocardium-Derived Vessels Generate Coronary Arteries in Neonates.Circ Res130 , 352-365 (2022).

3. Lu, P. et al. Prerequisite endocardial-mesenchymal transition for murine cardiac trabecular angiogenesis.Dev Cell58 , 791-805 e794 (2023).

4. Wu, B. et al. Endocardial cells form the coronary arteries by angiogenesis through myocardial-endocardial VEGF signaling.Cell151 , 1083-1096 (2012).

5. Luna-Zurita, L., Flores-Garza, B.G., Grivas, D., Siguero-Alvarez, M. & de la Pompa, J.L. Cooperative Response to Endocardial Notch Reveals Interaction With Hippo Pathway.Circ Res133 , 1022-1039 (2023).

6. Travisano, S.I. et al. Coronary arterial development is regulated by a Dll4-Jag1-EphrinB2 signaling cascade.Elife8 (2019).

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（*排名不分先后）

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