2021年1月12日,同济大学陈义汉院士及源品生物薛志刚教授团队在Nature Communications 在线发表题为“Cellular and molecular landscape of mammalian sinoatrial node revealed by single-cell RNA sequencing”的研究论文,该研究通过小鼠SAN中的单细胞RNA测序鉴定了四个不同的转录簇。差异表达基因的功能分析确定了富含电基因的核心细胞簇。从兔子和食蟹猴的SAN中也观察到类似的细胞特征。

  人类心脏以每分钟60-100次的频率跳动,从而输送血液到全身脏器,维持生命的正常机能,而心脏跳动的控制“中枢”或者说最高司令部是窦房结(SAN)。窦房结内部固有产生的生物电脉冲会触发哺乳动物的心脏收缩。窦房结的分子和细胞特征却在心脏中起着至关重要的作用。

  早在一个多世纪以前人类就发现了窦房结,但是迄今为止学术界对它的认识还相当贫乏。窦房结位于心房之中,不但体积小,其实质细胞也很少,而且细胞的分离和功能分析也有难度,这些阻碍了国际上对窦房结的研究进程。多个问题困扰着窦房结生物学和医学研究领域,例如:窦房结起搏细胞有一个什么样的分子细胞体系?窦房结起搏细胞究竟有没有一个优势兴奋的“主导集群”?控制窦房结起搏细胞功能的核心基因调控网络是什么?窦房结起搏细胞特异的生物标志物是什么?

  最近,同济大学陈义汉院士、源品生物薛志刚教授领衔团队借助起搏细胞分离技术、单细胞转录组测序和分析技术、细胞影像学技术、基因修饰技术、细胞诱导分化技术和系列电生理学技术,从单细胞分辨率水平解析出了窦房结起搏细胞的核心基因调控网络,同时发现了窦房结起搏细胞的潜在重要前景的生物标志物。

  该研究通过手动细胞挑选从不同哺乳动物物种中获得了窦房结单细胞,然后进行scRNA-seq描绘了窦房结的基因表达模式。研究人员揭示了从鼠到兔到猴三个物种的窦房结起搏细胞的集群类型和分子体系。他们通过信息学技术和功能验证,初步证明了不同物种的窦房结起搏细胞均包含一个控制心脏跳动的“主导集群”。这些集群的细胞分散于窦房结的不同区域,这种分布特征可能有利于心跳的稳态维持。他们鉴定出了控制心脏跳动的核心基因调控网络,该网络中的个别分子被证实可以显著地调控心跳的频率,一些转录因子也在该网络之中。

  研究人员还发现了窦房结起搏细胞的生物标志物,他们提示Vsnl1可能是一个可用于鉴定起搏细胞和探索心律失常的生物标志物。上述发现为窦房结研究提供了基础数据,有助于窦房结生物学、病理学和治疗学的深度探索。

  陈义汉 院士

  个人简介:

  心脏病学家,中国科学院院士,全国政协委员,九三学社上海市副主委。同济大学教授、主任医师、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、国家973计划项目首席科学家和国家创新研究群体负责人

  主要成果:

  长期从事心血管疾病临床工作和基础研究,临床特长为心律失常和心力衰竭的诊断和治疗,研究方向为心律失常和心力衰竭的发生机制和干预。在心律失常和心力衰竭研究领域取得了一些重要的科学发现。代表性论文发表在《Science》等刊物上。他的科学发现曾经被评为中国高等学校十大科技进展、国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖和上海市自然科学奖一等奖等。他是中国医师奖获得者,卫生部有突出贡献的中青年专家,上海市优秀学科带头人,上海市领军人才,上海市科技精英,上海市自然科学牡丹奖获得者,中国青年科技奖获得者,上海市劳动模范,全国五一劳动奖章获得者。

  薛志刚 教授

  个人简介:

  同济大学再生医学系干细胞研究中心、同济医院干细胞临床转化中心教授、博士生导师、源品生物研发副总裁。

  主要成果:

  2013年,采用单细胞RNA测序技术揭示了人类和小鼠早期胚胎的遗传程序,研究成果发表在《Nature》杂志上,该项研究成果将在干细胞的纯化、分类及临床治疗领域产生深远的影响。五年内发表论文20余篇,多次作为科研骨干参与国家基金委、科技部973、863、国际合作等科研项目。