大多数哺乳动物的心肌细胞在出生后不久即退出细胞周期，终止增殖。因此，出生后最后一轮增殖结束时的心肌细胞总数——即“心肌细胞存量”（cardiac endowment），被视为决定成年期心脏功能的关键指标[1]。成年心肌细胞多呈多倍体状态，源于妊娠晚期及出生早期的核内复制与双核化[2]。其中，物种间存在显著差异：啮齿类倾向于形成双核/多核二倍体心肌细胞，而人类则多为单核多倍体（MNPP）[3]。目前，调控核型差异形成的分子机制及其功能差异尚不明确。既往研究表明，阻断胞质分裂（如敲除Ect2 [1] 或Gas2l3 [4]）会导致心肌细胞细胞周期阻滞在双核化阶段，心肌细胞存量降低，导致围产期致死。然而，若特异性阻断核分裂而保留单核状态，心肌细胞和心脏将如何适应，仍未可知。   近日，同济大学魏珂教授、徐大春教授与高绍荣院士团队合作在Protein & Cell发表题为“Chaf1a is required for cardiomyocyte karyokinesis and cardiac endowment”的研究短文。该研究通过在围产期心肌细胞中特异性敲除Chaf1a，构建了以单核多倍体（MNPP）心肌细胞为主、但心肌细胞总数减半的小鼠模型，并揭示了其独特的代偿机制。 

        Chaf1a作为组蛋白伴侣，负责在新合成的DNA上装配组蛋白，其缺失可能导致核分裂失败而非胞质分裂失败。研究团队首先通过分析单细胞RNA测序数据发现Chaf1a在胚胎心肌细胞高表达，出生后显著下调，并在围产期小鼠心肌细胞中特异性敲除了Chaf1a，发现其缺失导致心肌细胞DNA损伤修复和G2/M检查点激活，核分裂被阻断，并发生核内多倍化。该Chaf1a敲除小鼠在出生第1天接受心尖切除术（AR）后，仅有少部分小鼠能够存活，且表现出显著未愈合的瘢痕纤维化，提示细胞周期活动障碍阻断了心脏的再生修复。而在3月龄敲除小鼠心脏中，单核多倍体心肌细胞（MNPP CMs）比例由对照组的4%骤升至65.32%，且倍性多超过4n，与对照组大部分心肌为双核细胞截然不同。 

 围产期心肌细胞敲除Chaf1a导致心肌细胞核多倍体化（核体积显著增大）  

        由于早期核分裂的受阻，Chaf1a 缺失导致出生后第1天心肌细胞数量锐减40%，第7天直至成年期总数仅为对照组的一半。有趣的是，与以往报道的胞质分裂阻断导致的心肌细胞数量减少致使围产期致死不同，Chaf1a 心肌敲除小鼠可存活至6月龄。尽管射血分数（EF）和缩短分数（FS）略有下调，但小鼠的自发运动及运动耐力正常，心肌细胞通过显著增加细胞大小实现代偿性肥大以维持基本的心脏功能。机制研究发现，Chaf1a敲除3月龄小鼠心脏中肌肉收缩与发育相关基因上调，而病理性肥大标志物及纤维化水平未升高。这些结果表明，单核多倍体心肌细胞能够在数量减半的情况下，通过非病理性的代偿性肥大维持基本生理功能。 然而，Chaf1a敲除小鼠在6-12月龄时陆续死亡，心脏出现明显的病理性纤维化，这表明尽管单核多倍体心肌细胞早期具备强大的代偿能力，但长期的数量缺陷与倍性改变最终导致失代偿与病理性重构。 综上，该研究发现Chaf1a是心肌细胞核分裂的关键调控因子。敲除Chaf1a导致核分裂阻滞，形成以单核多倍体心肌为主、心肌数量减半的心脏模型，这些单核多倍体心肌细胞展现出强大的代偿肥大能力以维持小鼠早期基本心脏功能。该研究不仅为解析单核多倍体心肌细胞的生理功能提供了全新动物模型，也为阐释人类（单核多倍体为主）与啮齿类（双核二倍体为主）的心脏发育差异提供了可能的分子层面线索。  

        围产期心肌细胞敲除Chaf1a导致心肌细胞存量减半并以单核多倍体为主 同济大学生命科学与技术学院/附属东方医院博士后欧阳兆惠、博士研究生袁旻、同济大学医学院博士研究生黄荣荣为该论文的共同第一作者。同济大学生命科学与技术学院/附属东方医院魏珂教授、同济大学附属第十人民医院徐大春教授、同济大学生命科学与技术学院高绍荣教授为该论文的共同通讯作者。本工作还得到了同济大学生命科学与技术学院陈嘉瑜教授和中国医学科学院阜外医院聂宇教授的大力支持。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目的资助。 

参考文献： [1] LIU H, ZHANG C H, AMMANAMANCHI N, et al. Control of cytokinesis by β-adrenergic receptors indicates an approach for regulating cardiomyocyte endowment [J]. Sci Transl Med, 2019, 11(513). [2] GAN P, PATTERSON M, SUCOV H M. Cardiomyocyte Polyploidy and Implications for Heart Regeneration [J]. Annu Rev Physiol, 2020, 82: 45-61. [3] DERKS W, BERGMANN O. Polyploidy in Cardiomyocytes: Roadblock to Heart Regeneration? [J]. Circ Res, 2020, 126(4): 552-65. [4] STOPP S, GRüNDL M, FACKLER M, et al. Deletion of Gas2l3 in mice leads to specific defects in cardiomyocyte cytokinesis during development [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2017, 114(30): 8029-34. 

原文链接: https://academic.oup.com/proteincell/advance-article/doi/10.1093/procel/pwag051/8741847