心脏发育

ZebrafishasamodeltostudycardiacdevelopmentandhumancardiacdiseaseContentsInthefirstpartofthisreview,Iaddressinchronologicalorderthecellularandmoleculareventsthatleadtocardiogenicspecificationanddifferentiation,hearttissuemorphogenesisandcardiacfunction.Inthesecondpart,Idiscussspecificcasesinwhichthezebrafishhasbeenusedtomodelhumancongenitalandacquiredcardiacdiseases.1.Cardiacdevelopmentinzebrafish1.1Cardiogenicspecificationanddifferentiation斑马鱼心脏发育基本过程脏是脊椎动物胚胎发育过程中出现的第一个功能性器官。心脏发育始于心肌与心内膜的祖细胞的特化。祖细胞心肌祖细胞心内膜祖细胞心房祖细胞群心室祖细胞群开始无明显的组织(16hpf)ALPM:前侧中胚层盘中线迁移心盘静脉极线性心管（30hpf)动脉极心管环化房室膨大36-48hpf心外膜的发生48hpf房室瓣形成(105hpf)传导系统建立(36hpf-）稍早mid-lineConcernedGenesNkx2.5ALPM:anteriorlateralplatemesodermNkx2.5诱导表达需要骨形态蛋白(BMP）途径的激活swirl/bmp2b突变体胚胎gata5过表达恢复Nkx2.5表达Nodal信号需要NKX2.5信号Bmp与Nodal信号通过诱导gata5表达诱导Nkx2.5的表达与心脏发育faust/gata5突变体胚胎存在NKX2.5表达的减少，结果形成更小的双侧心肌转录因子Hand2也是心原分化所必需随着心脏分化的进行，肌节性肌球蛋白基因在14体节阶段在ALPM中观察到表达肌球蛋白轻链7（myl7,以前叫cmlc2)在一些细胞中表达，随着时间推移表达细胞数目越多心肌细胞类群区域性地从中间向横侧移动，中间的细胞表达心室肌球蛋白重链（vmhc)而横侧的细胞表达心房肌球蛋白重链（myh6/amhc)心源性分化起始于12-15体节期，也就是受精后16小时的在将来发育成心室的细胞中，这些细胞紧邻中线Fig1B紧跟着是旁侧的将来的心房细胞的分化，26体节期（受精后22小时），也被称为静脉极分化Fig1C在30小时线性心管形成后，心源性分化开始出现了动脉极（Fig1F）调控心脏发育过程中心肌细胞的增加的遗传通路开始被发现，尽管在不同的心肌细胞的亚群的分化需要不同的因子晚期动脉极新增细胞的增加依赖Fgf信号Islet-1(Isl1)将会是一个调控ALPM静脉分化的好的候选基因1.2两侧心区的迁移与融合在原肠胚与早期体节阶段，心脏祖细胞朝中线移动到达目的地ALPM，这一过程需要grinch基因。（Fig1B）Grinch，是一个编码G-偶联蛋白受体（agtrl1b)在ALPM的边缘地带表达，而它的配体，Apelin，在中线表达Agtrl1b和Apelin在两侧的心肌祖细胞群迁移至中线处的过程中是必需的在中晚期体节阶段，心脏分化与心脏形态发生几乎同时存在，常常使得区分哪一个特定的基因对这些过程起到的功能变得困难。在某些情况下，某些确定的因子对两个过程都起作用Hand2，natterspinster同系物two-of-hearts/toh鞘氨醇1-磷酸(s1p)sdc21.3心内膜的形成心内膜起源于ALPM的一个能生出最初骨髓细胞系的造血细胞的独特区域.心内膜细胞朝着中线迁移稍早于心肌细胞。在两侧心区的心肌细胞向共同的中间方向往中线移动时，而位于外周的心肌细胞改变了原来的前后移动方向。在这个时间点，心肌细胞板前后端的细胞朝向已经位于中线的心内膜细胞并建立了最初始的心管圆周。一旦双侧心区开始集中在中线，心脏组织形成了一个盘状的结构，将来的心室细胞将位于这个盘状结构的内周，心内膜细胞位于中央，未来的心房细胞位于圆盘的外周。（Fig1D,2A）Double-labellinginsituhybridizationwithventriclemyosinheavychain(vmhc,red)andatrialmyosinheavychain(amhc/myh6,blue)probes.1.4心肌管的形成与旋转一直到心盘阶段，心脏的形成过程都可以称为对称的，因为在左右心区并没有形态上的区别。（Fig2A,C,G）然而，心盘一旦形成，起源于右侧心区的心肌组织向前延伸，朝前左侧移动。(Figure2B,E,H)，结果使得左右对称的心盘组织转变成背腹两侧组织的心管。(Figure2F).心盘前侧的内皮细胞将定位为心管的内腔。四维共聚焦以及细胞自动追踪技术显示随着右侧心区的退化，同时心盘心肌细胞顺时针方向旋转。(Figure2G–I).由于心肌组织不对称退化与旋转的结果，心管形成。其静脉极其位于左侧而动脉极仍在中线。(Figures1Eand2C)ConcernedGenesNodal和Bmp属于转移生长因子家族（Tgf-β)，在ALPM中不对称地表达，指导不对称的心脏形成过程下调southpaw(spaw)/nodal阻断心区Nodal信号，或者随机地让switchhitter突变体的spaw/nodal信号表达导致了心脏形成方向的混乱在缺少one-eyedpinhead/egf-cfc共受体的胚胎心盘的移动受到了影响在心盘不对称地退化与旋转之前，Bmp4在ALPM不对称地表达，而且表达水平左侧较高ALPM左侧观察到提高的BMP4活性，方法是采用Bmp4下游信号调控因子磷酸化识别抗体Smad1,5,8蛋白结合。通过过表达BMP4抑制子Noggin（热休克诱导的转基因品系）在心盘阶段阻断BMP信号，阻止了心肌组织向左前方的移动和旋转缺乏schmalspur/foxh1这些能够激活Noda相关l的靶基因的突变体胚胎中Bmp4不对称地表达，表明在ALPM左侧Bmp的活性被Nodal单边调控Nodal和Bmp信号异常激活突变体的实验能够探明心脏不对称形态生成过程中的ALPM左侧和右侧这两个信号通路的相互作用。心脏的延伸在Nodal和Bmp信号阻断的胚胎中观察到了，表明心管延伸与向左前移动是独立调控的。1.5心脏环化与房室膨大在线性心管形成之后，它弯向右侧。弯曲是为了未来的心室所取代，因为心室将位于胚胎中线的右侧，而未来的心房位于中线的左侧。(Figures1F）很少知道促进心管弯曲的细胞过程及其对应的分子机制心盘移位的程度与旋转的方向与心脏移位的程度与方向相关需要指出的是，不是心管所有部分同等旋转。在将来的静脉极观察到较强的旋转而在将来的动脉极的旋转程度很小。不同的旋转率是归因于心管不同的扭力，生物力学模型指出心管一极的旋转对于形成右旋是充分的。对有心脏移动与环化特定缺陷的突变体进行正向遗传筛选可以在将来明确环化过程的关键调控因子natriureticpeptidetypeA(nppa)标记心肌细胞外环在小鼠与斑马鱼中28小时观察到表达2.6Atrioventricularvalves房室瓣的形成心脏瓣膜对于脊椎动物心脏保持正常功能非常关键，瓣膜的畸形称为人类很多先心病和成人心脏病形成的基础，如肺动脉瓣狭窄，二叶主动脉瓣、二尖瓣脱垂以及Epstein’sanomaly。房室之间瓣膜的存在可以保证心室在收缩时防止血液从心室流向心房心脏瓣膜的形成已在鼠与鸡的胚胎中广泛研究。在脊椎动物，心脏瓣膜形成起始于房室之间通道(AV）的心内膜垫的形成。心内膜细胞覆盖的局部突起的心脏胶质细胞（心肌细胞与心内皮细胞之间的胞外基质）接受来自AV通道的信号：心肌层开始经历从上皮细胞到间叶细胞的转变。剥落的心内膜细胞开始移向心脏胶质细胞，并通过增殖填充这个突起的心脏胶质细胞。和脊椎动物一样，在斑马鱼中Notch,NFAT,ErbB和Tgf-b信号对于心脏瓣膜的形成是必需的Wnt/b-catenin信号的异常表达诱导心内膜的增殖以及has2的表达，而后者跟鼠类的AV通道上皮细胞向间叶细胞转变的转化所必需。为了对脊椎动物与斑马鱼瓣膜形成有更好的理解，对调控这三个信号通路进行细胞过程的研究非常重要1.6Atrioventricularvalves房室瓣的形成除了遗传因子外，环境因素也会影响瓣膜形成。在显示早期心脏缺陷的突变体胚胎，比如silentheart/sil，因为cardiactroponinT(tnnt2)基因的突变导致的没有心跳，或者cardiofunk/cfk基因，编码异常心肌肌节蛋白的表达将会影响瓣膜形成。另外，血液的流动导致的内皮细胞上的绝对压力也是瓣膜形成所必需的AV通道中血流的激荡会诱导心内膜垫细胞的剪切应答基因klf2的表达，klf2位于Notch1的上游，是心内膜垫中细胞类型的改变与内陷作用有关1.7传导系统的建立心肌细胞首次观察到收缩是因为线性心管刚形成时。最初的心肌细胞收缩是不规则与不协调的，一旦心管形成就有了协调的收缩模式。收缩起始于静脉极。因为通过心管的冲动传导变慢，这些收缩是蠕动的。随着心脏发育，房室收缩率开始增加并且从蠕动收缩变为有序收缩。在心脏环化的过程中（36-48hpf），在AV通道区域观察到了一个变慢的电冲动信号，也被称为AV延迟，在AV交界处导致的收缩延迟。AV延迟与蠕动的心管收缩转变成更高效的连续的心房跟着心室的收缩一致。心肌细胞位于AV通道的周围，表明AV通道上的心肌细胞与心腔内心肌细胞在形态上的区别有助于AV延迟1.7传导系统的建立与AV延迟有关的基因在cloche突变体，由于缺少包括心内膜细胞在内的所有内皮组织，在AV通道上心肌层的AV延迟传导没有观察到。这一现象表明心内膜派生的信号引起的上覆的心肌细胞分化成慢传导与快传导心肌组织。下调在心内膜表达的notch1b或者neuregulin，会导致在AV通道上心肌细胞AV传导延迟的缺失。心内膜的神经调节蛋白的作用在其他物种似乎是保守的，因为在小鼠的胚胎中神经调节蛋白是在心内膜表达，有助于心脏传导系统的形成。很多信号通路和转录因子在AV通道心肌细胞表达已经明确，并且对于获得一个原始的慢传导AV通道心肌是必需的。例如，T-boxtranscriptionfactortbx2b在AV通道心肌的表达对于AV延迟是必需的1.8心外膜的发生在线性心管与环化阶段，心壁仅由两层细胞层组成：心肌层与心内膜。第三层细胞层，心外膜，是包在心肌层外面的一层细胞，从心脏外被称为心外膜前体细胞群中发育而来。心外膜前体细胞，可以在48HPF的一组紧邻环化心脏的前壁的球形细胞从形态上区别。在72小时，前体细胞开始增大，并在环化心脏的外表面开始蔓延。分子上，心外膜前体细胞在40-48小时看到了wt1,tbx18andtcf21的表达。心外膜前体细胞的特化需要Bmp配体，而不是像以前所说的那样起源于肝脏原基。Bmp4在心肌表达并且在前体细胞特化所需，表明在心脏的Bmp信号诱导心外膜前体特化。除了BMP信号，tbx5在早期体节阶段在侧板中胚层的表达对于心外膜前体特化是必需的。尽管在斑马鱼中阐述得较多，在鸡和小鼠胚胎心外膜前体细胞形成通向心肌的桥并在其上伸展开来，甚至驾驭这一过程的结构分子信号尚不知晓。在成体心脏，心外膜是一个包裹整个心壁表面的光滑鳞状上皮细胞。如果损伤心脏，比如切开心室顶端，斑马鱼的心外膜通过提高胚胎心外膜标记tbx18和raldh2的表达作出应答。这表明心外膜的基因表达程序被损伤作出激活应答2.斑马鱼作为研究人类先心病与后天心脏病的模型2.1先天性心脏缺