文章标题：El perfilado multiómico visualiza la dinámica del desarrollo y las funciones cardíacas
Revista publicada: Informes celulares
Factor de impacto: 9.995
Unidad autora: Universidad Médica de Nanjing
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Antecedentes de la investigación compartida sobre la metabolómica de Baiqu
El desarrollo del corazón en los mamíferos es un proceso complejo de múltiples etapas y estrictamente regulado, que está controlado con precisión por múltiples moléculas y vías de señalización en diferentes tiempos y espacios.Si la red reguladora de genes en este proceso se ve afectada, conducirá a congénita. cardiopatía. Por lo tanto, es particularmente importante dilucidar sistemáticamente las moléculas clave en el desarrollo y la maduración cardíacos y analizar los mecanismos moleculares de las enfermedades relacionadas. Compartiendo metabolómica, sin embargo, la mayoría de los estudios ómicos actuales sobre el desarrollo cardíaco se basan en los niveles de expresión transcripcional de los genes, y ninguna investigación ha explorado los factores clave del desarrollo y la maduración cardíacos a través de estudios multiómicos a lo largo del ciclo de vida, lo que nos impide de Comprender sistemáticamente el proceso general del desarrollo cardíaco y la etiología de los defectos congénitos cardíacos.
Compartir la metabolómica de Baiqu - Métodos de investigación
Para dibujar un mapa multiómico de todo el ciclo del desarrollo del corazón, el equipo de investigación de la Universidad Médica de Nanjing se basó en varios métodos ómicos como fosfoproteómicos, proteómicos, metabolómicos y transcriptómicos unicelulares, metabolómicos compartidos y mapas moleculares descritos. y patrones de cambio de vías y reguladores clave en el desarrollo y la maduración cardíacos.
Intercambio de metabolómica de Baiqu - Resultados de investigación 1 Análisis multiómico del corazón de ratón
Figura 1. Dinámica temporal del fosfoproteoma, proteoma y transcriptoma durante el desarrollo del corazón
Los análisis basados en transcriptomas y proteomas encontraron que más de la mitad de los genes mostraban correlaciones relativamente bajas entre el ARNm y los niveles de proteína (Fig. 1A y 1B). Pero con el tiempo, la correlación aumentó gradualmente y finalmente se estabilizó, lo que sugiere que los niveles absolutos de ARNm pueden no predecir la abundancia de proteínas.
Los 10 puntos temporales del desarrollo del corazón del ratón se dividieron en 4 períodos mediante el análisis de conglomerados de medias K: Fase I de E10.5–14.5, Fase II–III de E16.5–2W y Fase IV de 4W–8W (Figura 1E ). Metabolómica compartió que la correlación entre la expresión génica de fase I y la fosforilación fue significativamente mayor (Fig. 1F), lo que verifica que la fosforilación está fuertemente involucrada en la señalización en el desarrollo cardíaco temprano.
2 Múltiples conjuntos de vías inferidas y enriquecidas para el desarrollo y la maduración cardíacos
Figura 2. Vías clave de la triómica durante el desarrollo y la maduración cardíacos
Los investigadores realizaron análisis GO en los genes expresados diferencialmente y las proteínas expresadas diferencialmente representadas en cada uno de los cuatro períodos en el transcriptoma, el proteoma y el fosfoproteoma (Fig. 2). Los resultados mostraron que las principales vías de proliferación y diferenciación celular se enriquecen en la fase I, incluida la regulación transcripcional, el empalme de ARN y el procesamiento de ARNm. Las etapas II-III son etapas en las que el corazón aumenta en forma y función. Las vías involucradas incluyen traducción mitocondrial, traducción, adhesión celular y adhesión a la matriz celular. La etapa IV es la etapa madura en la que el corazón adquiere funciones relacionadas con el metabolismo. Los genes y las proteínas de la fase IV están involucrados en procesos redox, procesos metabólicos (ciclo del ácido tricarboxílico [TCA] y metabolismo de ácidos grasos) y transporte.
El papel del equilibrio de las vías 3MAPK y AKT en la regulación del cambio fenotípico en el desarrollo cardíaco
Figura 3. Caracterización de la dinámica de señalización y predicción de sustratos de quinasa clave durante el desarrollo del corazón
La fosforilación de proteínas es una modificación postraduccional clave en la transducción de señales y cascadas. Con la hipótesis de que es más probable que los sitios de fosforilación con cinética temporal similar sean sustratos para la misma cinasa, los investigadores agruparon todos los sitios de fosforilación en tres grupos principales de fosfopéptidos (Fig. 3A, 4B). Se dilucidaron las características de los diferentes grupos: el grupo 1 se caracterizó por una activación temprana significativa seguida de una disminución de los niveles de fosforilación, incluidas las proteínas quinasas MAPK, CDK y CLK3 (Figura 3B), y se enriqueció significativamente en las vías posteriores, como la traducción de proteínas, celular adhesión y degradación de proteínas (Fig. 3C). La metabolómica compartió que el grupo 2 mostró activación retardada y descomposición en las etapas II-III (Fig. 3B). Las vías significativamente enriquecidas en el grupo 2 fueron similares a las del grupo 1, excepto por una mayor activación de la adhesión célula-célula y el cambio a vías de señalización hormonal (Fig. 3C). El grupo 3 mostró un aumento constante en los niveles de fosforilación, lo que indica una activación posterior en el desarrollo cardíaco (Fig. 3B), y las fosfoproteínas en este sitio de fosforilación del grupo se enriquecieron principalmente en procesos fisiológicos y patológicos del corazón, incluida la contracción cardíaca (Fig. 3C).
Además, el equipo de investigación adoptó el algoritmo iGPS (algoritmo GPS con filtro de interacción, o GPS in vivo) y determinó que MAPK, CDK y CLK desempeñan funciones clave en el desarrollo embrionario temprano, y se enriquecieron significativamente en fosfopéptidos del grupo 1, Se enfatiza su papel en el inicio de la señalización de fosforilación. También se observó una concordancia temporal entre la fosforilación de la cinasa y del sustrato (Fig. 3D), lo que sugiere una función temporal específica de la cinasa. Desde corazones de ratón E10.5 a E18.5, el nivel de proteína total de p38 MAPK se mantuvo sin cambios, mientras que el nivel de proteína de (p-)p38 MAPK fosforilada (180T) disminuyó significativamente, lo que confirma aún más que la fosforilación de MAPK juega un papel importante en el desarrollo del corazón Las primeras etapas son importantes (Figura 3E). Sin embargo, los niveles de proteína de AKT1 fosforilado (S124) y AKT2 fosforilado (S129) produjeron una activación mutuamente excluyente de MAPK en E14.5, lo que sugiere sus efectos potencialmente opuestos en el desarrollo del corazón (Fig. 3D y 3E).
Estos resultados reflejan el efecto equilibrado de MAPK y AKT sobre el desarrollo cardíaco, en el que la fosforilación de MAPK afecta principalmente a la diferenciación de los cardiomiocitos, mientras que la fosforilación de AKT afecta principalmente a la proliferación del miocardio.
4 Identificación de los TF centrales involucrados en el desarrollo temprano del corazón
Figura 4. Enfoque epigenómico para identificar los factores maestros de transcripción que regulan el desarrollo del corazón
Para explorar más a fondo la importancia de los factores de transcripción (TF) en el desarrollo del corazón de los mamíferos, se realizó la secuenciación de accesibilidad de la cromatina transposasa en muestras de corazón de ratón prenatales E10.5 mediante el análisis de la técnica epiómica ATAC-seq. La red reguladora TF-TF se construyó prediciendo los sitios de unión del factor de transcripción, y se utilizó el análisis de la huella para ilustrar el léxico regulador en esta etapa (Fig. 4A). Para compartir la metabolómica, todos los TF se dividieron en tres grupos: clase I entre los 200 principales, clase II entre los 201–400 principales y clase III en el resto (Fig. 4B). Entre los 10 TF principales identificados, varios TF son fundamentales para el desarrollo del corazón en modelos de células madre embrionarias o de ratón.
Además, dado que una mayor especificidad temporal y la intolerancia a las mutaciones funcionales también sugieren un papel potencialmente importante, evaluamos la expresión del ARNm en la fase I (E10.5–E14.5), así como todos los detectados. La probabilidad de intolerancia génica (puntuación pLI) de Las mutaciones de TF a pérdida de función (LoF) fueron consistentes con la conclusión anterior (Fig. 4C). Se observó un enriquecimiento de los TF de clase I entre los TF altamente expresados al principio del desarrollo cardíaco e intolerantes a las mutaciones LoF (Fig. 4D). La metabolómica compartió, además, los experimentos con TFRE18 demostraron la expresión y actividad de estos TF, y la proporción de TF detectados en el grupo de clase I fue significativamente mayor que la de clase II y clase III (Figura 4E y 4F), lo que indica que la clase I TF Papel importante en el desarrollo del corazón.
Además, el LoF y las mutaciones de sentido erróneo deletéreas de los TF de clase I fueron significativamente mayores en pacientes con tetralogía de Fallot (TOF), la cardiopatía congénita más común, que en los controles normales (Fig. 4G), mientras que los TF de clase II y III no lo son. no. Los TF clave identificados por el análisis de la huella son muy importantes para el desarrollo del corazón y pueden ser posibles nuevos candidatos a genes causantes de TOF. Estos análisis revelan una estricta regulación temporal de los programas de expresión génica durante la cardiogénesis temprana, con TF centrales esenciales para el desarrollo cardíaco adecuado.
Mientras tanto, para dilucidar los reguladores transcripcionales y de la cromatina que median en la cascada de señalización, el equipo investigó las interacciones proteína-proteína (PPI) entre los co-reguladores de los sustratos de MAPK. Los resultados de la metabolómica compartida mostraron que, según los datos de STRING validados experimentalmente, se cree que los PPI enriquecidos en vías reguladoras de la transcripción y los TF de clase I desempeñan un papel clave en el desarrollo cardíaco temprano.
5 Ciclo de TCA de corazón de ratón maduro y vía de metabolismo de lípidos
Figura 5. Ciclo TCA y rutas metabólicas de los lípidos durante el desarrollo del corazón
El perfil del metaboloma temporal basado en el análisis de enriquecimiento KEGG mostró claramente que la cantidad de metabolitos cambió significativamente durante el desarrollo del corazón, principalmente enriquecidos en el ciclo TCA y las vías del metabolismo de los lípidos en el corazón (Fig. 5A y 5B). En el espectro de masas de la Figura 5C, se puede ver que los sustratos metabólicos en la oxidación de ácidos grasos b (FAO) y el ciclo TCA se consumen, mientras que las enzimas limitantes de la velocidad clave se expresan en gran medida. La metabolómica compartida, además, el perfil transcripcional de una sola célula reveló que los CM maduros eran las principales subpoblaciones de células involucradas en el metabolismo de TCA y FAO, lo que sugiere que estas dos vías metabólicas son la principal fuente de energía para la contracción del miocardio (Figura 5D y 5E).
El metabolismo del ácido araquidónico en macrófagos residentes 6MHC-II+ promueve la fagocitosis de células apoptóticas inducida por la proliferación de células eferentes
Figura 6. Metabolismo específico del ácido araquidónico en macrófagos nativos MHC-II+ cardíacos de ratón adulto
El ácido araquidónico (AA) también exhibió niveles metabólicos aumentados en el corazón (Figuras 5A, 5B y 6B). La alta expresión de genes biosintéticos de AA en etapas tempranas y la alta expresión de genes biosintéticos de AA en corazones de ratones adultos indicaron una alta actividad biológica de genes AA en etapas posteriores (Fig. 6A-6C).
Los resultados de la secuenciación de una sola célula revelaron que la prostaglandina endoperóxido sintasa 1 (Ptgs1), un paso limitante de la velocidad en la conversión de AA en prostaglandina E2 (PGE2), se expresó específicamente en macrófagos de corazones de ratones adultos (Fig. 6D) . La metabolómica compartió que los macrófagos se dividieron en tres grupos distintos según la expresión y la dependencia de CCR2, y Ptgs1 se expresó principalmente en ciertos macrófagos nativos MHC-II+ (Figuras 6E y 6F). La proporción de células Ptgs1+ de macrófagos nativos MHC-II+ aumentó significativamente después de la constricción aórtica transversal (TAC) (Fig. 6G). Esto sugiere que Ptgs1 ejerce un papel cardioprotector al promover la maduración de los macrófagos nativos MHC-II+. Curiosamente, un análisis adicional de la vía de genes regulados al alza en células con alta expresión de Ptgs1 reveló la expresión de enzimas/receptores de células eferentes clave, el receptor de quimiocinas CX3C 1 (Cx3cr1) y la especificidad inhibidora del crecimiento 6 (Gas6) significativamente más alta que los macrófagos residentes de MHC-II+/Ptgs1– (Figura 6I). Al compartir la metabolómica, los datos anteriores sugieren que el AA y sus metabolitos pueden desempeñar un papel potencial en la reparación de tejidos a través de la proliferación de células eferentes de células apoptóticas.
Compartir la metabolómica de Baiqu - Conclusiones de la investigación
El equipo combinó la fosfoproteómica y los métodos de aprendizaje automático para construir una red de interacción entre las fosfocinasas y los sustratos, y descubrió que la activación equilibrada de las cinasas MAPK y AKT es el interruptor clave para la conversión de gradiente de las capacidades de diferenciación y proliferación de los cardiomiocitos; también utilizó la epigenómica ATAC-seq y la tecnología ómica funcional TFRE identificó sistemáticamente los factores de transcripción centrales en el desarrollo temprano del corazón, los organoides y el análisis genético encontraron que los factores de transcripción centrales y sus mutaciones genéticas juegan un papel importante en la aparición de enfermedades cardíacas congénitas; finalmente, el autor Combinando metabolómica y Los datos transcriptómicos de una sola célula revelaron que el metabolismo del ácido araquidónico está involucrado en la encapsulación de macrófagos nativos MHC-II+ cardíacos en cardiomiocitos apoptóticos.
Este estudio proporciona una descripción molecular integral del desarrollo y la maduración cardíacos, lo que enriquece significativamente los conjuntos de datos existentes, que juntos revelan los mecanismos moleculares complejos pero coordinados que sustentan el desarrollo y la maduración cardíacos. Compartido por la metabolómica, este enfoque proporciona un ejemplo de un marco general que permite una nueva comprensión del control multinivel del desarrollo de diferentes órganos o tejidos y proporciona anotaciones funcionales para validar mutaciones patógenas e informar sobre los mecanismos de la enfermedad.