在美国，有超过200万的婴儿、儿童和成年人患有先天性心脏病——一系列影响心脏结构或功能的先天缺陷。现在，格拉德斯通研究所和加州大学旧金山分校(UCSF)的研究人员已经在了解先天性心脏病的一个子集的广泛基因和蛋白质网络如何出错方面取得了进展。
先天性心脏病包括各种各样的心脏缺陷，从没有症状的轻微结构问题到破坏或阻断心脏正常血液流动的严重畸形。少数基因突变与先天性心脏病有关;第一个被发现的基因是TBX5。TBX5蛋白是一种转录因子，它控制着数十种其他基因的表达，从而产生深远的影响。
布鲁诺花了20年的时间研究TBX5突变对心脏细胞发育的影响，主要是在老鼠身上进行研究。在发表在《发育细胞》上的这项新研究中，他和他的同事转而研究人类细胞，使用新颖的方法来追踪TBX5突变时单个细胞的情况。
“这真的是我们第一次能够在人类环境中研究这种基因突变，”布鲁诺说，他也是加州大学旧金山分校儿科学系的教授。“老鼠的心脏是人类心脏的一个很好的代表，但它并不完全相同，所以能够在人类细胞中进行这些实验是很重要的。”
科学家们从人类诱导多能干细胞(iPS细胞)开始，这些细胞被重新编程为胚胎样状态，使它们-像胚胎干细胞一样-具有成为人体几乎所有细胞类型的能力。
然后，Bruneau的团队使用CRISPR-Cas9基因编辑技术使细胞中的TBX5发生突变，并开始诱导iPS细胞成为心脏细胞。随着这些细胞变得更像心脏细胞，研究人员使用了一种称为单细胞RNA测序的方法来追踪TBX5突变如何改变成千上万个单个细胞中哪些基因被打开和关闭。
该实验揭示了许多基因在突变TBX5的细胞中表达水平或高或低。重要的是，并非所有细胞对TBX5突变的反应都相同;一些人的基因表达发生了剧烈变化，而另一些人受影响较小。研究人员说，这种多样性反映了心脏是由许多不同类型的细胞组成的事实。
布鲁诺说:“有些人受到的影响比其他人更大，这是有道理的，但这是第一次在人类细胞中显示这种多样性的实验数据。”
布鲁诺的团队随后与计算机研究人员合作，分析受影响的基因和蛋白质是如何相互关联的。新的数据让他们勾勒出了一个复杂而相互关联的分子网络，这些分子在心脏发育过程中共同作用。
“我们不仅提供了与先天性心脏病有关的基因列表，而且还提供了这些基因如何联系的背景，”Irfan Kathiriya医学博士说，他是UCSF Benioff儿童医院的儿科心脏麻醉师，UCSF麻醉和围手术期护理系副教授，格莱斯顿的访问科学家，该研究的第一作者。
一些基因进入了已知的与心脏发育或先天性心脏病有关的途径。研究显示，TBX5作为一种转录因子的功能直接调节了一些基因，而其他基因则以不太直接的方式受到影响。此外，许多改变的基因与先天性心脏病患者的心脏功能有关，因为它们控制心脏的节奏和松弛，这些基因的缺陷经常与结构缺陷一起被发现。
研究人员说，这篇新论文并没有指出任何可以在出生后逆转先天性心脏病的单一药物靶点，但更好地了解健康心脏形成的网络，以及先天性心脏病，可能会找到预防缺陷的方法。就像孕妇服用叶酸有助于预防神经管缺陷一样，可能有一种化合物可以帮助确保与先天性心脏病相关的基因和蛋白质网络在胚胎发育期间保持平衡。
布鲁诺说:“我们的新数据显示，这些基因实际上都是一个网络的一部分——复杂但单一——在心脏发育过程中需要保持平衡。”“这意味着，如果我们能找到一个平衡因素，保持这个网络的功能，我们可能有助于预防先天性心脏缺陷。”
