itga4突变斑马鱼心脏再生缺陷的机制分析

Regenerative medicine has now shown great potential for the intervention and treatment of ischemic heart diseases. Zebrafish is well considered as a powerful model for studying cardiac regeneration because of its great capacity in organ regeneration. Our preliminary data show that Itga4 is induced in the injury site and itga4 mutant heart fails to regenerate after ventricular amputation, thus leading to a hypothesis that Itga4 plays an essential role in cardiac regeneration. Here, we plan to 1) determine expression profiles of Itga4 after ventricular resection by applying immunohistochemistry/reporter lines and assess the function of Itga4-positive cells in heart regeneration by using NTR-based cell ablation technique; 2) investigate molecular and cellular defects of cardiac regeneration in itga4 mutants, and 3) dissect the molecular action of Itga4 during heart regeneration by using single-nucleus transcriptome profiling. The outcome of this study may lead to identifying how Itga4 in macrophages and neutrophils shape heart regeneration in zebrafish, and thus guide us to develop new therapeutic methods for ischemic heart diseases.

成年哺乳动物心脏损伤后心肌细胞再生能力极弱，只能通过纤维化来修复损伤，进而造成心脏功能障碍。近年来发现斑马鱼等低等动物在心脏部分损伤后可以完全再生。本项目将利用斑马鱼心脏部分切除模型研究心脏再生的分子机理。前期工作表明，Itga4在斑马鱼心脏损伤局部表达明显增加，itga4突变体斑马鱼的心脏再生过程受到抑制，提示Itga4在斑马鱼心脏再生过程中起重要作用。在此基础上，我们计划1）详细分析Itga4在斑马鱼心脏损伤后的时空表达图谱并揭示Itga4阳性细胞的心脏再生功能；2）研究itga4突变体斑马鱼心脏再生过程中的哪些环节受到影响，即itga4突变引起斑马鱼心脏再生障碍的细胞学机制；3）探讨Itga4参与斑马鱼心脏再生过程的靶基因及信号通路。此项研究将揭示Itga4及炎症细胞调控斑马鱼心脏再生的细胞和分子机制，为激发哺乳动物及人类的心脏再生潜能、进而治疗缺血性心脏病提供理论基础和新的靶点。

哺乳动物心脏在损伤后不能再生，只能以纤维化进行修复，进而造成心衰、心律失常等严重后果。成年斑马鱼心脏损伤后可以完美再生, 探讨斑马鱼心脏再生的机制对于促进哺乳动物心脏损伤修复有重要意义。.依照课题申请书及计划书，本项目针对itga4在斑马鱼心脏再生中的作用进行了深入的研究，发现itga4对于斑马鱼正常心脏再生是必要的，itga4纯合突变体心脏再生出现缺陷。随后针对itga4突变体的再生缺陷表型进行了细胞生物学分析，发现斑马鱼itga4 mRNA和蛋白在斑马鱼心脏再生过程中上调，其表达富集在Lcp1阳性的免疫细胞中。itga4突变体心脏损伤时伤口处免疫细胞数量较野生型减少，血管新生也受到影响，而对心肌细胞增殖影响并不明显，提示itga4突变主要影响了免疫细胞的聚集及血管新生，进而影响斑马鱼的心脏再生。利用RNA-seq进行了itga4突变造成心脏再生障碍的分子机制的分析，发现itga4突变体心脏免疫细胞中趋化因子cxcl12b及其受体cxcr4的表达下降, 注射人源SDF-1蛋白(cxcl12b同源蛋白)对突变体的心脏再生和血管新生有挽救作用，证明itga4突变使免疫细胞中cxcl12b的表达下降，进而影响血管新生，抑制了斑马鱼的心脏再生。.此前研究多集中于心肌细胞的增殖在斑马鱼心脏再生中的作用，对其他细胞类型的作用关注不够。本研究发现免疫细胞在斑马鱼心脏再生中起到重要作用，为斑马鱼心脏再生的机制提供了新的细胞及分子生物学理论。本课题完成了主要研究内容，取得预期的研究成果。.项目执行期间取得多项成果，发表文章7 篇，获得2项中国发明专利，培养毕业博士研究生3名。