研究揭示端粒缩短在心肌细胞衰老中的重要作用

上海精准医学研究院张家毓团队、卞迁团队和第四军医大学马恒团队合作在《核酸研究》（《Nucleic Acids Research》）上发表了“FOXC1依赖性心肌衰老由端粒缩短导致的近端粒域构象降解驱动”（Proximal telomeric decompaction due to telomere shortening drives FOXC1-dependent myocardial senescence）的研究论文，揭示了非分裂端粒缩短诱发心肌细胞衰老的分子机制，确定了短端粒驱动心肌加速衰老的关键因素FOXC1，并为抗心脏衰老提供了新靶向治疗的理论依据。

端粒是位于线状染色体末端的一小段DNA蛋白质复合体，其功能是保持基因组的完整性和稳定性。正常情况下，端粒会随着每一次细胞分裂逐渐变短，一旦过短，就会引发持续的DNA损伤反应，诱导细胞衰老，最终导致细胞停止分裂，因此端粒缩短也被认为是衰老的标志。研究发现，除细胞分裂造成端粒缩短外，短端粒与心血管疾病也存在相关，但端粒是否直接或间接参与疾病进展、短缩的端粒如何独立于基因突变驱动心功能障碍、调节短端粒的染色体三维结构能否对心肌细胞产生影响等问题仍未明确。

研究团队通过对比正常人群和心力衰竭人群心肌端粒长度，发现心衰患者端粒长度较正常人群缩短，但短端粒如何影响心力衰竭过程仍有待阐明。团队通过端粒酶抑制把健康人源诱导性干细胞（hiPSC）建立短端粒的hiPSC并进行心肌细胞分化实验。相比健康组，短端粒心肌细胞中衰老相关标志物p21和p16蛋白显著上调，细胞出现肥大以及SA-β-Gal细胞衰老标志物增加。通过评估单个、单层及3D培养微组织(MTs)心肌细胞的收缩以及线粒体呼吸情况后发现，与正常心肌细胞相比短端粒心肌细胞所表现的收缩力更大，跳动频率更高、线粒体呼吸能力更低。均揭示了在没有任何突变及应激刺激下，心肌细胞端粒短缩可诱发心肌功能障碍并进入衰老状态。

同时，为进一步研究端粒缩短对心肌细胞染色质构象和基因表达的影响，研究团队对正常心肌细胞和具有短端粒的心肌细胞分别进行高通量染色体构象捕获技术 (Hi-C)、转录组测序RNA-seq及KEGG通路分析。结果显示，与远离端粒区域相比，短端粒心肌细胞近端粒区域（5Mb）的三维结构显著降低，短端粒心肌细胞中近端粒区域内的TAD内部和相互间作用均出现减少，差异表达基因中与细胞因子应答、离子转运调节、氧化磷酸化和细胞粘附相关的基因显著富集，短端粒心肌细胞在近端粒5Mb范围内的基因表达平均上调约7倍。充分论证了端粒缩短会引起心肌细胞中的染色质构象改变，导致不同染色体细胞核空间中的分布及相互作用明显减少，引起近端粒末端染色质的三维压缩构象丢失，造成靠近端粒末端的基因表达明显上调。

此外，研究团队通过对心衰患者的组织芯片进行端粒TelCQ-FISH和免疫组织化学染色，发现转录因子FOXC1在短端粒心肌细胞中显著上调。使用慢病毒对正常心肌细胞及短端粒心肌细胞中的FOXC1调节显示，FOXC1过表达会导致衰老标志物p21/p16和SA-β-gal阳性心肌细胞的比例显著增加、线粒体氧化呼吸能力降低、收缩失调；相反，在衰老心肌细胞中下调FOXC1则能有效改善心肌功能。研究通过调节短端粒的染色体三维结构明确了端粒长度与FOXC1间的相关性作用，有效验证了FOXC1对心肌细胞的影响，揭示了FOXC1的上调对心肌细胞衰老、线粒体功能降低和收缩功能障碍具有驱动作用。

该研究获得国家自然科学基金、上海浦江人才计划等项目资助，由附属第九人民医院/上海精准医学研究院张家毓团队、卞迁团队和第四军医大学马恒团队合作完成。附属第九人民医院/上海精准医学研究院李宾、熊蔚瑶、左武、石元元为共同第一作者，附属第九人民医院/上海精准医学研究张家毓、卞迁和第四军医大学马恒为共同通讯作者。