Миокардно препрограмиране е в основата на сърдечните дефекти при тризомия 21

Вродените сърдечни дефекти (ВСП) са най-често срещаните аномалии в развитието, засягащи около 1% от живородените деца. Анеуплоидията причинява около 15% от ВСП, като тризомия 21 (известна също като синдром на Даун) е най-честата форма. ВСП се срещат в около 50% от случаите на синдром на Даун, с приблизително 1000-кратно обогатяване на дефекти на атриовентрикуларния канал (АВК), които нарушават връзката между предсърдията и камерите. Toва се казва в статия, публикувана в сп. Nature.

АВК съдържа уникални миокардни клетки, които са от съществено значение за развитието на валвулосептума; специфичната комбинация от дозочувствителни гени на хромозома 21, които са отговорни за ВСП, свързани със синдрома на Даун, обаче остава неизвестна. Тук, използвайки човешки плурипотентни стволови клетки и миши модели на синдрома на Даун, учените идентифицират HMGN1, нуклеозом-свързващ епигенетичен регулатор, кодиран на хромозома 21, като ключов фактор за тези дефекти. Транскриптомиката на единични клетки показа, че тризомия 21 измества човешките AVC кардиомиоцити към камерно кардиомиоцитно състояние. Скрининг с CRIPPR-активиране на едноклетъчно РНК капково секвениране (CROP-seq) на гени от хромозома 21, експресирани по време на развитието на сърцето, разкри, че повишената регулация на HMGN1 имитира тази промяна, докато делецията на един HMGN1 алел в тризомни клетки възстановява нормалната генна експресия. В миши модел на тризомия 21, подобна транскрипционна промяна на AVC кардиомиоцитите беше възстановена чрез намаляване на дозата на Hmgn1 , което доведе до възстановяване на валвулосептални дефекти.

Тези открития идентифицират HMGN1 като дозозависим модулатор на развитието на AVC и сърдечната септация при синдрома на Даун. Това проучване предлага парадигма за дисекция на патогенезата, свързана с анеуплоидия, използвайки изогенни системи за картографиране на причинните гени в сложни генетични синдроми.

Анеуплоидията може да причини стереотипни спектри на вродени дефекти и е свързана с променена доза на специфични гени в хромозомни региони с анормален брой копия. Систематичното определяне на приноса на отделните гени в голям променен хромозомен регион обаче е предизвикателство.

Синдромът на Даун (DS), който се среща при около 1 от всеки 700 живородени деца, като честотата му се увеличава с възрастта на майката, е най-често срещаната форма на генетична анеуплоидия и е резултат от пълна или частична тризомия на хромозома 21.

Едновременно с промененото неврологично, мускулно-скелетно и краниофациално развитие, приблизително половината от децата с DS се раждат с вродителни сърдечни заболявания (ВСС), най-често срещаната форма на вродени дефекти в общата популация. Дефектите на септума – непълно разделяне на камерните и предсърдните камерни стени – са най-разпространената форма на ВСС при DS. Атриовентрикуларните септални дефекти, уникален и сравнително рядък вид дефект, включващ комуникацията на предсърдно и камерно ниво, се срещат в около 45% от случаите на Вродена сънна болест (ВСБ) при индивиди със DS, което представлява 1000 пъти по-висока честота при DS. 

Въпреки че при пациенти със септални дефекти са идентифицирани варианти на загуба на функция в транскрипционните фактори, клетъчната адхезия и сигналните молекули, молекулярните механизми на нарушеното развитие на сърцето и причината за повишеното обогатяване на септалните дефекти при DS остават активна област на изследване и възможност за дисекция на основите на дефектите, свързани с анеуплоидия.

Генетичните анализи на деца с частична тризомия 21 предполагат, че „критичен“ регион на хромозома 21 съдържа дозочувствителни гени, свързани със сърдечни и други дефекти; точното картографиране на причинния геномен локус обаче варира между различните кохорти на частична тризомия.

Въпреки че дублирането на 23,3 Mb синтеничен регион на хромозома 21 при мишки обобщава много аспекти на човешкия фенотип, по-нататъшното дисектиране на този регион предполага, че сърдечните дефекти се дължат на прекомерна доза на повече от един локус.

 Последните проучвания върху миши модели на DS показват, че трети алел на DYRK1A е необходим, но не е достатъчен за CHD и че DYRK1A може да е един от два или повече гена, участващи в все още неопределен механизъм.

Намаляването на дозата на четири гена в клъстера на интерферонния рецептор (IFNR) намалява честотата на асимптоматични дефекти на междупредсърдната преграда при мишки; Въпреки това, ниската честота на значими сърдечни заболявания, докладвани в това проучване в началото, затруднява определянето на спасителния метод. Данните от човешката генетика от индивиди с частична тризомия 21 също така предполагат, че DSCAM е възможен ген, свързан с коронарни сърдечни заболявания (ВСЗ) при DS; експерименталната валидация обаче се основава на проучвания за свръхекспресия при мишки, а експресията на DSCAM е забележително отсъстваща в кардиогенезата при мишките между ембрионалния ден 7.75 (E7.75) и E11.5. Тези резултати показват, че за вродени дефекти при DS са необходими множество дозочувствителни гени на хромозома 21 и предполагат, че неидентифицирани фактори на хромозома 21 участват в патогенезата на ВСЗ. Систематичният скрининг за гени на хромозома 21, които нарушават развитието на сърцето, когато присъстват в 1,5 пъти по-високи нива, обаче е техническо предизвикателство.

Последните постижения в геномиката на единични клетки, машинното обучение и CRISPR-базираните пертурбации трансформираха способността ни да модулираме нивата на генна експресия в мащаб и да измерваме транскрипционните последици в подгрупи от клетки в хетерогенни тъкани. Тук предоставяме пътна карта за систематична оценка на кандидат-гени, които допринасят за анеуплоидните фенотипове в съответните човешки клетъчни типове. Използването на човешки индуцирани плурипотентни стволови клетки (hiPSCs), получени от индивиди с мозаичен синдром на Даунс, ни позволи да сравним тризомни клетки с хромозома 21 с изогенни дисомни контролни клетки с хромозома 21, получени от същия индивид.

 РНК секвенирането на единични клетки (scRNA-seq) на тризомни и дизомни hiPSCs, които бяха диференцирани в сърдечни линии, разкри промяна в транскрипционния подпис на специализираните AVC кардиомиоцити (AVCMs), за да наподобяват по-близо камерните кардиомиоцити в състояние на тризомия 21 в сравнение с изогенни дисомни клетки от същия индивид. CRISPR-активиращ (CRISPRa) scRNA-seq скрининг на кандидат-гени от хромозома 21 в дизомични клетки, комбиниран със статистическо моделиране, разкри, че генът HMGN1 е дозочувствителен регулатор на състоянието на човешките атриовентрикуларни кардиомиоцитни клетки, който може да рекапитулира тризомния фенотип. AVCM в миши модел на DS със сърдечни дефекти имат подобна транскрипционна дисрегулация, която е коригирана чрез редукция на Hmgn1 до две копия in vivo.

Забележително е, че сърдечните дефекти в мишия модел са били възстановени след загуба на един алел на Hmgn1 . Това проучване предоставя мултимодален и многоорганизъмен подход за дефиниране на дозочувствителни гени на хромозома 21, които влияят върху развитието на сърцето при DS, и служи като основа за подобни подходи при други сложни генетични състояния.

Петър Димитров

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Източник: Myocardial reprogramming by HMGN1 underlies heart defects in trisomy 21; NATURE