Science | 造血系統Y染色體丟失與心臟疾病

撰文丨十一月

人類的Y染色體相較於其他染色體來說比較小,主要包含調節性別決定和精子形成相關的基因【1】。關於Y染色體目前缺乏生物資訊學相關的資訊,這主要是因為Y染色體內以及染色體間存在的重複序列。已有研究表明,Y染色體在造血系統中的鑲嵌缺失(Hematopoietic mosaic loss of Y chromosome,mLOY)與男性死亡和老年相關疾病風險的增加有關,但是相關的因果關係以及具體分子機制尚不清楚。

為了揭開這一問題的答案,美國弗吉尼亞大學Kenneth Walsh研究組、Soichi Sano(第一作者)與瑞典烏普薩拉大學Lars A. Forsberg研究組合作在Science發文題為Hematopoietic loss of Y chromosome leads to cardiac fibrosis and heart failure mortality通過構建Y染色體缺乏的骨髓細胞重組雄性小鼠,發現mLOY小鼠死亡率增加並且與心臟纖維化以及出現心臟衰竭,並開發了用於幫助改善和治療該心臟功能障礙的方法。

血液中Y染色體嵌合缺失最常見的是白細胞突變,並造成惡性血液癌症。造血系統中mLOY出現的頻率增加主要與年齡以及吸菸狀況相關【2-3】。另外,有研究表明70歲以上的老人中有40%會檢測到mLOY,而在93歲的男性中這一比例則會達到57%【4】。mLOY缺失的患者各種與年齡相關的疾病發病率都出現了明顯的提高,因此mLOY一定程度上被認為是基因組不穩定的表現以及生物衰老的標記【4】

為了研究mLOY與心臟衰竭等年齡相關的病理性發生過程因果關係,作者們利用CRISPR-Cas9基因編輯技術構建了小鼠造血mLOY模型。基因編輯的目標在於Y染色體著絲粒的重複DNA序列。作者們通過將慢病毒移植到骨髓細胞中,然後再將mLOY的血液細胞一直到致死輻照去除內在血液系統細胞的小鼠之中。為了最大限度地提高基因編輯的效率,作者們使用了內源敲入Cas9基因的小鼠。通過設計兩個不同的gRNA,針對Y染色體上不同的重複序列。作者們發現Y染色體敲除的效率可以達到85-90%(圖1)。通過核型分析以及Y染色體上基因表達的鑑定,作者們確認在小鼠血液系統中Y染色體被敲除。

圖1 構建小鼠mLOY模型
圖1 構建小鼠mLOY模型

圖1 構建小鼠mLOY模型

隨後,作者們希望對mLOY小鼠在衰老階段的特點進行表徵,通過存活率以及心臟中纖維化水平的分析,發現mLOY的小鼠壽命與對照組相比較短,而且超聲心動圖分析揭示出與年齡相關的心肌疾病的加速進展。進一步地,作者們希望對mLOY在人體內與年齡相關心肌疾病後果的相關性進行分析,通過引入英國生物銀行資料庫的資料,發現mLOY與男性心血管疾病和心力衰竭死亡相關。這些結果分別在小鼠與人體內建立了mLOY與心力衰竭等疾病的相關性。

那麼兩者之間具有因果關係嗎?其中的機制又是如何的呢?為了揭開這一問題的答案,作者們在mLOY小鼠中進行了主動脈橫縮手術,在小鼠中進行心臟衰竭的模擬。作者們發現與對照組相比,mLOY小鼠心力衰竭的後果會更為惡化,而這一現象的出現可能與成纖維細胞含量相關。

進一步地,作者們想知道在心力衰竭過程中對照組與mLOY小鼠中細胞類型的差異以及轉錄水平的差異。首先通過相關細胞類型標記物免疫熒光檢測,發現其中心臟免疫細胞發生了顯著的變化。進一步通過單細胞RNA-seq,作者們發現與纖維化以及炎症相關的基因調節子在mLOY小鼠中發生了明顯的變化,其中最主要的是TGFbeta信號通路。通過在mLOY小鼠中施用TGFbeta1抗體,作者們發現中和TGFbeta信號通路可以逆轉mLOY小鼠心臟功能的異常。

圖2 工作模型

總的來說,該工作發現Y染色體的造血鑲嵌缺失也就是mLOY與男性死亡和老年相關疾病的風險增加有關,通過建立Y染色體缺乏的骨髓細胞重組的雄性小鼠發現死亡率增加以及於衰老相關,表明造血mLOY與心臟纖維化、心臟功能障礙和男性死亡率之間存在因果關係。

由於該工作的前瞻性以及所建立的因果關係,同期刊發了觀點文章,題為Mosaic loss of

Y chromosome during aging,對該工作所建立的因果關係以及TGFbeta抗體中和作用逆轉心臟衰竭病理特徵的結果進行了高度評價。

原文連結:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn3100

製版人:十一

參考文獻

1. M. A. Jobling, C. Tyler-Smith,Nat. Rev. Genet. 18, 485–497 (2017).

2. V. Ljungström et al.,Leukemia36, 889–891 (2022).

3. F. Zink et al.,Blood130, 742–752 (2017)

4. D. J. Thompson et al.,Nature575, 652–657 (2019)

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