BMP信号通过缓解复制压力促进斑马鱼心脏再生

斑马鱼心脏再生过程中，BMP信号通过缓解复制压力促进心脏再生

斑马鱼心脏再生过程中，BMP（骨形态发生蛋白）信号通过缓解复制压力来促进心脏再生。与哺乳动物不同，成年斑马鱼能够通过心肌细胞的增殖实现心脏的完全再生。研究人员发现，再生心肌细胞会经历DNA复制压力，这是导致哺乳动物衰老期间组织再生能力下降的一个原因。药理学抑制ATM和ATR激酶表明，DNA损伤反应信号对于斑马鱼心脏再生至关重要。通过对BMP-Smad信号的操控，研究人员发现BMP信号可以减轻心肌细胞的复制压力。此外，BMP信号还能拯救新生小鼠心肌细胞、人成纤维细胞及人造血干细胞和祖细胞（HSPCs）的复制压力。DNA纤维扩展实验表明，BMP信号可以促进复制叉在复制压力引起的停滞后的重新启动。研究结果确定了克服复制压力的能力是斑马鱼心脏再生能力增强的关键因素，并揭示了BMP信号在促进无压力DNA复制中的保守作用。

【摘要】

与哺乳动物不同，成年斑马鱼通过心肌细胞的增殖实现心脏的完全再生。令人惊讶的是，我们发现再生心肌细胞经历了DNA复制压力，这被认为是哺乳动物衰老期间组织再生能力下降的原因之一。药理学抑制ATM和ATR激酶表明，DNA损伤反应信号对于斑马鱼心脏再生至关重要。操纵BMP-Smad信号表明，BMP信号可以减轻心肌细胞的复制压力。BMP信号还拯救了新生小鼠心肌细胞、人成纤维细胞和人造血干细胞和祖细胞（HSPCs）的复制压力。DNA纤维扩展实验表明，BMP信号可以促进复制叉在复制压力引起的停滞后的重新启动。我们的结果确定了克服复制压力的能力是斑马鱼心脏再生能力增强的关键因素，并揭示了BMP信号在促进无压力DNA复制中的保守作用。

【引言】

心肌梗死是导致死亡的主要原因之一，因为人类心脏和其他成年哺乳动物的心脏缺乏替代受损心肌细胞的能力。相比之下，成年斑马鱼和其他一些高度再生的动物可以通过去分化和增殖成熟心肌细胞来修复心脏损伤。斑马鱼心肌细胞的再生非常高效且完全；在冷冻损伤杀死三分之一心室心肌细胞的情况下，30天内即可恢复到损伤前的心肌细胞数量。许多信号通路被发现可以促进斑马鱼心肌细胞的去分化和细胞周期。我们之前的研究表明，BMP信号对于心肌细胞在心脏再生过程中的去分化和增殖是必需的，但不参与生理心脏生长过程中心肌细胞的增殖。这表明BMP信号主要作用于再生特异性细胞过程。在这里，我们展示了BMP信号通过缓解复制压力来促进心肌细胞的再生。

【结果】

心肌细胞在斑马鱼心脏再生过程中变得γH2a.x阳性

为了识别心脏再生的机制，我们分析了斑马鱼心脏的转录组，注意到与DNA修复相关的基因特征在7天后显著富集，这代表了心肌细胞增殖的高峰期。qRT-PCR证实，在冷冻损伤后7天，涉及多种DNA损伤反应途径的基因在心室中上调。使用单细胞测序数据，我们发现一些上调的DNA修复相关基因在伤口边缘区心肌细胞中比远端心肌细胞表达更强。这促使我们测试是否可以在伤口边缘心肌细胞中检测到升高的DNA损伤。使用针对磷酸化形式的组蛋白变体H2a.x（γH2a.x）的抗体，一种已知的DNA损伤标志物。Western blotting检测到在去除伤口以富集心肌细胞的组织中，γH2a.x水平在冷冻损伤后7天显著升高。免疫荧光显示，在距离伤口150微米范围内的伤口边缘心肌细胞中有相当一部分在冷冻损伤后7天呈γH2a.x阳性。γH2a.x阳性的时空分布与处于细胞周期的心肌细胞的比例相似，数量在7天达到峰值并在30天恢复到基线水平。此外，γH2a.x阳性的数量随着远离伤口而减少，类似于文献报道的处于细胞周期的心肌细胞比例。γH2a.x阳性的细胞也在切除心室顶端的再生心脏中观察到。这些数据表明，再生心脏中心肌细胞经历的DNA损伤独立于损伤类型，且不太可能是由直接的损伤引起的。

心肌细胞在再生过程中而非生理心脏生长中经历复制压力

我们发现，循环心肌细胞在斑马鱼心脏再生过程中经历复制压力。我们鉴定出BMP信号是心肌细胞克服这种压力的关键因素，这一功能在哺乳动物细胞中也是保守的。我们的发现增加了对高再生生物并不是对影响哺乳动物再生的挑战免疫的观点。相反，我们的研究表明，有效克服复制压力的能力是成年斑马鱼心脏再生能力增强的关键原因。

【讨论】

总之，我们的数据表明，缓解复制压力是BMP信号的一个保守特征，这对于成年鱼类心脏再生能力至关重要。我们提出了以下模型（图9）：斑马鱼心脏通过现有心肌细胞的增殖实现高效再生，尽管心肌细胞在再生过程中会经历复制压力。BMP信号由BMP2、4和7配体激活，并通过Smad信号传导，使心肌细胞能够克服这种复制压力，否则会导致S期停滞和再生失败。与其他促进再生的信号通路不同，BMP信号允许无压力复制，从而促进心肌细胞再生。这种BMP信号的能力在包括人类干细胞在内的多种细胞类型和脊椎动物物种中都是保守的。因此，激活BMP通路可能作为抗衰老和促进老年个体再生的干预措施具有潜力。

【全文结束】