Exosome介导干细胞组蛋白甲基化调控心肌重构的研究

Myocardial remodeling is the common pathophysiological path of both myocardial abnormal development and myocardial damage repair, it closely related to the premature aging of cardiac stem cells which were easily attacked by pathologic niche. However, this path is rarely concerned about. Problems trigger innovative research ideas: under the stimulation of risk factors, such as chronic ischemia and hypoxia, the myocardial cells in the microenvironment will secrete variation exosome that transfer some non-coding RNA (ncRNAs) to the susceptible cardiac stem cells; then ncRNAs triggered histone methylation of stem cells, methylation modification will change chromatin structure and close the promoter region of cardiac transcription factors; finally, the stopped transcription will trigger the premature senescence or apoptosis, stem cells lose their continue ability of embryonic development or wound repair capacity, the myocardial remodeling inevitably occurs. This project will focus on above new ideas to carry out a series of studies. Following the first discovery that myocardial differentiation of stem cell was mediated by “non-cell-contact” niche, our research group, once again explores the regulation mechanism of exosome, an key message of microenvironment, and its cross-talks with cardiac progenitor cells (CPCs). The research will be carried out from cellular levels to whole animal models, try to find out the relationship between the myocardial remodeling and CPCs histone methylation caused by pathogenic factors. We can expect that the results not only reveal how does signaling transduction by the niche, but also explore the potential biomarkers or intervention targets of myocardial remodeling.

心肌重构是心肌异常发育与损伤修复的共同病理生理学过程，与心脏干细胞的过早衰老密切相关，而后者受到病理性微环境的严重影响，但这一路径很少被关注。针对存在的问题，我们创新性提出研究思路：慢性缺血缺氧等危险因素作用于微环境的心肌细胞，分泌功能变异的Exosome，将非编码RNA等信使传递至分裂活跃的心脏干细胞，引发易感的组蛋白甲基化修饰改变，导致染色质重塑与心肌转录因子启动区的关闭，触发干细胞过早衰老或凋亡，丧失继续胚胎发育或者损伤修复的能力，发生心肌重构。本课题组继率先发现微环境能够“非细胞接触式”介导干细胞的心肌定向分化之后，再次深度挖掘微环境的核心传递物质Exosome的调控机制及其与心脏祖细胞（CPCs）的交互作用，从细胞水平和整体动物模型探讨病理性微环境所致CPCs组蛋白甲基化修饰与心肌重构的关系。研究结果不仅能揭示微环境作用的本质，而且能为心肌重构探寻出潜在的生物标志物或或干预靶点。

心脏重构是心肌异常发育与心肌损伤修复的共同病理生理学过程，与微环境（niche）的异常调节密切相关。病理性微环境如何调控心脏重构中成纤维细胞、心肌细胞、治疗性干细胞的表型转化？最近研究表明，外泌体（Exosome）发挥重要作用，其作用方式是将miRNA、mRNA和蛋白等信息物质通过旁分泌或者体液循环传递至效应细胞，但其机制不明。本课题在国家自然科学基金的资助下，经过5年研究，取得下列重要研究进展或成果：.（1）发现热休克体外预处理能明显提高干细胞的体内生存力，热休克刺激强度为42℃-3h的保护效应最好，而且其细胞死亡率与热休克蛋白HSP70的表达呈显著负相关。而且，热休克干细胞体内移植后通过Exosomes分泌HSF1到胞外并被周围心肌细胞吸收，使心肌细胞呈现与热休克干细胞非常相似的表型，从而导致心肌细胞凋亡减少，心功能显著改善。.（2）发现氧化应激环境中，干细胞和心肌细胞分泌的exosome其内含物变化较大的miRNAs为miR-21。这种富含miR-21的exosomes进入到心肌细胞中后，可以通过靶向心肌细胞中的PDCD4基因，从而抑制PDCD4蛋白的表达，达到缓解心肌细胞凋亡的效应。.（3）发现诱导型多能干细胞（iPSC）的内皮定向分化改善心梗后心肌重构，通过抑制内源性miR-495的功能和表达，可作为提高iPSC向内皮细胞分化的的崭新策略。.（4）构建了血小板膜修饰的人工外泌体纳米结构，创建了具有细胞膜和细胞核靶向以及外泌体修饰功能的嵌合肽（CP），并且证明从动物血液中分离得到的外泌体和外泌体载药系统中的纳米载体确实具有外泌体特征。.（5）创建了“纳米-蛋白表观细胞重编程技术”新体系，成功将成纤维细胞和骨髓间充质干细胞（BMSC）重编程成具有功能特征的心脏祖细胞（piCPCs），移植后可显著改善心肌梗死动物的心功能。.项目完成后共发表研究论文40篇（SCI论文23篇，中文论文17篇），申请国家发明专利5项，全面并超额完成研究计划，达到预期目标。