论文解读 | Nature:哈佛大学首次揭示发育中的斑马鱼第一次心跳

发布时间:2023-12-12 环特生物 浏览次数:218

规律的心跳对脊椎动物的生命至关重要。在成熟的心脏中,这一功能是由起搏点(Pacemaker)驱动的。起搏能力广泛分布于早期胚胎心脏,并由此衍生出一个问题:胚胎发育过程中,组织尺度的活动是如何特异性建立并维持的?心脏从沉默到跳动的最初阶段,其电生理特征从未被表征过,人们对早期心跳的空间和时间结构也知之甚少。

9月27日,美国哈佛大学Adam E. Cohen研究组与Sean G. Megason研究组合作在顶尖学术期刊《Nature》上发表了题为“A bioelectrical phase transition patterns the first vertebrate heartbeats”的最新研究成果,利用全光学电生理学工具对斑马鱼第一次心跳进行捕捉,并评估潜在的电兴奋性和连接模式。通过对斑马鱼心跳进行模拟,发现心脏细胞突然开始跳动,有不规则的间隔期,在原始心脏中连贯传播,并显示了脊椎动物中心脏细胞从静止到跳动、从异步到协调跳动的转变,有助于更好地理解脊椎动物心脏的发育过程及其调控机制,为未来研究心脏疾病和先天性心脏缺陷提供了重要的基础。

Doi:10.1038/s41586-023-06561-z.

2000多年前,就有了关于早期胚胎发育心脏活动的记载,但是体内对于心脏生理水平的观察受到时空分辨率以及样本尺寸的影响。为了实现捕捉这一生第一次的心跳,研究人员试图通过全光学电生理的方法对斑马鱼心脏最初的跳动进行记录,并对这跳动背后的电生理特征等进行分析。

心脏如何开启第一下跳动?斑马鱼,这种全身透明、生长快速的小鱼,为观察心脏提供了绝佳模型,因为受精后只需短短24个小时就可以看到发育的胚胎出现了心跳,还可以用摄像头将过程拍摄下来。

实验最初,研究人员并不知道会发生什么,他们推测,也许先会有几个细胞开始跳动,然后跳动区域慢慢扩大;也许,是心脏的不同部位分别开始跳动,最终汇合并协调起来;也许,一开始只有微弱地跳动,随着时间推移,跳动得越来越有力。

第一次心脏跳动发生在斑马鱼胚胎发育中受精后18-22个小时。在此期间,双侧心脏祖细胞聚集形成心脏,因此,研究人员使用广泛表达的钙离子指示剂jGCaMP7f进行标记捕捉组织特异性表达,并定制了琼脂糖模具对18个胚胎进行同时成像,实现跨实验组的同时记录。一般来说,使用阻止心脏和骨骼肌运动的tnnt2a 吗啉或者α -兔毒素mRNA注射对钙离子活性影响不大。

通过荧光蛋白和高速显微镜成像技术,研究人员在斑马鱼胚胎中实时捕捉心脏细胞钙离子的含量变化和电活动,通过钙离子水平的大规模爆发和电活动信号指示心脏细胞的跳动。研究人员发现,发育中的斑马鱼心脏细胞会突然开始一致跳动,其特征是钙和电信号同时飙升,并立即开始同步跳动。

图1 斑马鱼胚胎注射基因编码的钙离子指示剂

研究人员也用另外一种红移基因编码钙指标FR-GECO1c对心脏跳动的动态过程和时间进行了记录,捕捉斑马鱼心脏生理的早期发育过程。

结果发现,在每个胚胎中,心脏都表现出从静止到突然出现固定波形的钙离子峰。转变的时间点在受精后20.3±0.4小时,与细胞特异性品系进行共定位研究,发现钙离子活性变化主要在发育中的心肌细胞中。研究人员将第一次大规模的钙离子瞬变称为斑马鱼胚胎的第一次心跳。

图2 原始心脏显示从静止到钙尖峰的突然转变

随后,研究人员想确认第一次心跳是与心脏全组织的相关还是与某一种细胞子集相关。结果发现,只有极少数的样本(3/39)钙离子瞬变发生在心脏的一半,大多数是全组织范围内钙离子变化。

此外,通过对早期心脏节律动态间隔进行分析,发现心脏跳动逐渐增加,并且通过类似不变圆上鞍结分岔( Saddle-node on invariant circle bifurcation,SNIC)相位转变逐渐形成周期性心跳(图3)。

通过记录斑马鱼胚胎心脏的最初几次跳动后,研究人员发现,起初的几次跳动频率不高,时间间隔不规律,随着发育,心率逐渐加快并变得更均匀。有趣的是,每一次心脏跳动都会有一个区域率先放电,引发的电流迅速通过其他细胞并促使它们放电。而在不同的斑马鱼个体中,最早放电的细胞区域并不一致,也就说,并没有哪个区域的细胞专门负责启动每一次心跳。

这一点同样令研究人员感到惊讶,因为这与通常在发育成熟的心脏中所见到的情形完全不同:成体心脏中,在特定区域有专门的起搏细胞作为指挥官协调心跳,然而在处于发育过程的心脏中,每个心脏细胞都有自发跳动能力。

图3 早期心脏不变圆上鞍结分岔类似心脏节律转变

研究人员通过对钙离子指示剂jGCaMP7f以及电压依赖的离子通道Voltron1进行融合表达,对第一次心脏跳动的特征进行分析。

结果发现,斑马鱼胚胎的心脏第一跳是钙离子瞬变与电压的同时转变。当通过吗啉敲低离子通道Cav1.2会导致在受精后22-23小时后钙离子瞬变与电压变化均不出现。钠离子-钙离子交换蛋白ncx1的敲低也会导致钙离子瞬变出现的时间迟滞。

之后,对第一次心跳的空间起始位点(Spatial locus of initiation,LOI)进行了鉴定(图4)。通过建立高速钙离子成像图谱,研究人员发现心脏起搏的位点是可变的,偏向于心脏的左前位置,早期心脏起跳空间位点与心肌细胞转基因共定位。在心脏起跳的后期,心跳空间起始位点与TCF+细胞共定位,此时nkx2.5荧光信号降低。

图4 对心脏起跳的空间起搏点进行细胞类型鉴定

总的来说,本研究中,研究人员通过多通道全光学斑马鱼胚胎早期心脏发育阶段钙离子活性记录,揭示了斑马鱼第一次心跳的时间框与动力学特征,同时也对心脏从静止到开始非同步跳动再到同步跳动进行了模型模拟,并对心脏起跳的空间起搏点进行了细胞类型的鉴定,对理解心脏发育和起搏器功能的建立具有重要意义,并可能有一天阐明心律失常等心脏不规则性是如何在人类中产生的。

参考文献

[1] Bill Z. Jia et al., A bioelectrical phase transition patterns the first vertebrate heartbeats. Nature (2023) 

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06561-z

[2] How the heart starts beating. Retrieved Sep. 22, 2023 

https://www.eurekalert.org/news-releases/1002398

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