图2.2000~2019年中国农村居民（左） 和城市居民（右） 主要疾病死亡率变化^[1]

在心脏和心脏相关血管的细胞水平上，干细胞通过增殖和分化形成前体细胞，并进一步生成心脏与血管的主要细胞类型，包括心肌细胞、平滑肌细胞、心脏成纤维细胞和内皮细胞等，进而构成原始的心血管系统^[2]。 心血管疾病是指累及心脏与血管功能的各种疾病，主要类型有冠心病（涉及心肌供血血管，由于心肌灌注减少导致心绞痛、心肌梗死/心力衰竭。它占心血管疾病病例的三分之一到二分之一）、脑血管疾病（涉及大脑供血血管，包括中风和短暂性脑缺血发作）、周围动脉阻塞性疾病（涉及四肢的动脉疾病）、风湿性心脏病（由链球菌造成的风湿热损害心肌和心脏瓣膜）、先天性心脏病（出生时存在的心脏结构畸形）、深静脉血栓和肺栓塞（腿部静脉出现血块，可脱落并移动至心脏和肺部），以及主动脉粥样硬化（包括胸主动脉瘤和腹主动脉瘤）等^[3-4]。引起疾病的风险因子除了年龄、生活方式和代谢紊乱，还与遗传或环境因素密切相关。

图3.染色质空间结构调节

研究材料：小鼠心肌细胞

研究方法：ChIP-seq(p3000)、Hi-C、HiChIP(H3K27ac)、RNA-seq、MPRA

2023年4月，波士顿儿童医院的Kaifu Chen和William T. Pu团队在《Development Cell》发表了题为“Dynamic changes in P300 enhancers and enhancer-promoter contacts control mouse cardiomyocyte maturation”的研究成果，提供了一个小鼠心肌细胞发育过程中3D基因组介导的增强子活性图谱。该研究利用小鼠心肌细胞特异性的P300 ChIP-seq，鉴定了在小鼠心脏发育的七个阶段存在的54920个心肌细胞增强子。随后将这些增强子数据与同一阶段的心肌细胞基因表达谱和胎儿、新生儿和成熟阶段的Hi-C和H3K27ac HiChIP染色质构象数据进行匹配，发现P300动态变化的区域具有发育调控的增强子活性。接下来，通过在体内的心肌细胞中进行大规模平行报告基因分析，研究人员验证了发育调控增强子的活性，并确定了关键的转录因子结合位点。这些与3D基因组结构变化有关的动态增强子决定了心肌细胞基因表达的发育调控。

图4.研究思路

研究材料：人和小鼠，多能干细胞、中胚层、心脏中胚层、心脏祖细胞、心肌细胞和心室心肌细胞

研究方法：ChIP-seq、ATAC-seq、snATAC-seq、RNA-seq、Hi-C

2022年9月， 加利福尼亚大学的Chris Benner和Neil C. Chi研究团队在《Nature Cardiovascular Research》发表了题为“Human-gained heart enhancers are associated with species-specific cardiac attributes”的研究成果，揭示了人类心脏通过特异性增强子来重塑控制心脏发育和功能的关键心脏基因表达的调控网络，从而适应其结构和功能。该研究利用人类多能干细胞（hPSC）衍生的心肌细胞（CM）分化系统，不仅通过ATAC-seq、ChIP-seq和RNA-seq鉴定了指导hPSC向CM分化的顺式调控元件（CREs）和基因调控网络（GRNs），还研究了它们与调控小鼠多能干细胞（mPSC）向CM分化的CREs和GRNs之间的差异。比较这些CREs，发现了在不同的心脏发育阶段都活跃的人类特异性增强子（HGEs），并且与特定的基因表达程序相关，这可能解释了小鼠和人类心脏之间的物种特异性差异。研究人员发现在这些HGEs中，富集了与人类心脏表型和疾病特征相关的遗传变异，尤其是那些在人和小鼠之间不同的变异。此外，研究人员还发现了一些位于转录调控因子基因区域内的HGEs。例如，在参与早期发育的转录因子ZIC3的基因区域内发现一些HGEs，结合RNA-seq、ChIP-seq、Hi-C、ATAC-seq和snATAC-seq，该研究确认其中一个中胚层特异性的HGE调控了ZIC3在中胚层阶段的表达以及心肌细胞的分化。

图5.ZIC3中HGE相关的调控网络在中胚层阶段指导人的ZIC3表达升高

研究材料：人的肺动脉内皮细胞

研究方法：ChIP-seq、ATAC-seq、RNA-seq、HiChIP

血流剪切应力主要是指血管壁上血液流动产生的流体动力，主要包括生理状态下的层流剪切应力（LSS）以及异常的扰动流剪切应力，内皮祖细胞（EPCs）会受到血流剪切力的影响。正常的情况下，LSS能够促进EPCs向内皮分化。

2022年8月，斯坦福大学医学院的Marlene Rabinovitch研究团队在《Nature Communications》发表了题为“KLF4 recruits SWI/SNF to increase chromatin accessibility and reprogram the endothelial enhancer landscape under laminar shear stress”的研究文章，提供了一个LSS下内皮细胞的增强子图谱，为未来研究非编码DNA变异如何影响保护性基因表达和血管疾病提供了参考。该研究首先通过ATAC-Seq和RNA-Seq，来绘制肺动脉内皮细胞 暴露于LSS的增强子图谱，发现LSS使染色质开放性增加，同时促进了保护性基因的表达，抑制了疾病相关基因的表达。差异开放区域的Motif分析和KLF4 ChIP-Seq确认了LSS使KLF在开放性区域的结合信号增加。该研究通过KLF的过表达和敲除实验证明KLF是调节LSS响应基因的近端和远端染色质可及性的必需因子。与其一致的是，研究发现KLF4可以招募SWI/SNF核小体重塑复合物，从而参与LSS响应基因的转录调控。随后，研究利用H3K27ac HiChIP分析LSS下增强子与靶基因之间的相互作用，发现很多增强子可以跨越多个基因进行远程调控。该研究利用ABC算法预测了LSS下受KLF4调控的基因，发现超过70%的差异表达基因都与KLF4有关。

图6.LSS下，KLF招募SWI/SNF核小体重塑复合物，增加基因调控区域的染色质可及性，并促进增强子-启动子互作，以增加对LSS响应基因的表达

研究材料：人心脏扩张型心肌病和非衰竭心脏组织，iPSC衍生的心肌细胞

研究方法：Hi-C、ChIP-seq、ATAC-seq、RNA-seq、HiChIP

2022年4月，来自牛津大学、广西医科大学第一附属医院、四川大学华西医院和广东省人民医院、广东省医学科学院的研究团队合作在《Circulations》发表了题为“Rewiring of 3D Chromatin Topology Orchestrates Transcriptional Reprogramming and the Development of Human Dilated Cardiomyopathy”的文章，揭示了3D基因组在人类扩张型心肌病（DCM）心脏中的重要作用，以及HAND1在其中的关键调控功能，为深入理解DCM的分子机制和开发新的治疗策略提供了新的视角。该研究利用人心脏扩张性心肌病（DCM，n=50）和非衰竭心脏组织（NF，n=51）的Hi-C、HiChIP、ChIP-seq、ATAC-seq和RNA-seq数据，揭示了DCM心脏中活性调控元件（H3K27ac）和相关的loop的变化，以及它们对转录失调的影响。该研究发现了DCM心脏中一些新的增强子-启动子（E-P），例如NPPA-AS1与NPPA和NPPB的相互作用，以及它们对心脏功能的影响。该研究发现DCM心脏中富集的H3K27ac loop主要位于保守的高级染色质结构内，它们的锚点具有相当的染色质开放性且富集了HAND1，这是一个参与早期心脏发育的关键转录因子，且其蛋白质表达在人类DCM和小鼠衰竭心脏中上调。随后，该研究利用人诱导多能干细胞来源的心肌细胞验证HAND1是否是DCM心脏中E-P变化的致病因素，发现HAND1过表达可以增强E-P，并相应地提高了与DCM发病机制相关基因的表达，电生理分析发现HAND1过表达可以诱导钙处理异常，表明HAND1在DCM心脏中的钙信号传导中起着重要作用。最后，利用小鼠模型验证HAND1过表达对心脏功能的影响，发现心肌细胞特异性过表达Hand1可以导致心脏扩张性重塑，伴随着心肌细胞收缩力/钙处理能力的下降，心重/体重比的增加，和心脏功能的损害，这些都是由于重现了DCM中的转录重编程。

图7.HAND1通过改变增强子-启动子互作，触发转录重编程和扩张型心肌病的发生