北京大学赵扬团队系统解析“在体重编程”诱导心肌再生的关键病理障碍

2026年3月30日，北京大学临床医学高等研究院、北大-清华生命科学联合中心赵扬研究组在《细胞·干细胞》（Cell Stem Cell）发表题为“Perturb-seq uncovers pathological obstacles to direct cardiac reprogramming in vivo”的研究论文。该研究首次建立了心梗区域“在体重编程”诱导心肌再生的细胞命运扰动图谱，从140个候选因子中锁定首要障碍因子钙网蛋白（CALR），并揭示了其通过调控钙信号调控重编程的分子机制。该成果为心梗再生医疗提供了新靶点，也为系统鉴定在体环境相关细胞命运调控因子建立了新技术框架。

论文截图

心肌梗死是全球主要死亡原因之一，发病率持续上升。成年哺乳动物心脏再生能力极弱，心梗后心肌坏死、纤维化替代，最终导致心力衰竭。利用重编程因子将心梗区激活态心脏成纤维细胞“在体”原位诱导为功能性心肌细胞，有望同时抑制纤维化并实现心肌再生，是再生医学的重要研究方向。然而，“在体重编程”远比体外培养皿中诱导更加困难，心梗微环境非常复杂，传统研究方法只能逐一验证候选因子，效率低下，严重阻碍了该策略向临床转化。

为系统鉴定阻碍在体重编程的关键因子，研究团队建立专为揭示在体微环境相关因子设计的Perturb-seq技术流程，将病理环境中上调表达的140个候选因子的干扰片段（每个因子设计两条shRNA，均带唯一分子标签）与重编程因子及荧光蛋白一同阵列式导入激活态心脏成纤维细胞中。随后，研究人员将这些细胞混合移植至小鼠心梗区域，诱导重编程因子表达，并在诱导后1周和2周分离荧光阳性细胞进行单细胞全转录组联合分子标签测序，成功构建贯穿重编程全过程的“细胞命运扰动图谱”。

图1. 基于细胞移植的在体Perturb-seq揭示“在体重编程”首要障碍因子CALR

图谱分析显示，在心梗病理背景下，仅少数细胞能向心肌命运演进，大量细胞因微环境干扰陷入“病理”状态。该图谱实现了对100多个因子作用效果的“头对头”比较，可通过这些因子对应的分子标签在不同细胞群里的分布系统鉴定候选因子对不同细胞命运的调控效果。这一图谱为筛选细胞命运调控的关键靶点提供了高效平台。

在该图谱中，CALR被鉴定为阻碍心肌细胞产生的首要障碍因子。CALR通常定位于内质网，调控钙离子储存和蛋白质折叠。研究发现，心梗区域成纤维细胞中CALR表达水平显著升高，这一现象在人类心梗患者样本中也同样存在。细胞应激激活CALR表达，却在无意中成为心肌再生的“刹车片”。

体内外功能实验验证，敲低CALR能显著提升重编程诱导效率，且诱导出的心肌细胞展现出同步钙信号振荡，功能上更接近真实心肌细胞。CALR敲低联合重编程因子可使激活态心脏成纤维细胞的心肌诱导效率接近70%。在体重编程实验显示，CALR敲低将心肌样细胞诱导效率提升一个数量级。在人类心脏成纤维细胞中，CALR敲低同样大幅提高重编程效率。

机制研究表明，敲低CALR导致内质网向胞质释放钙离子，引起胞质钙浓度提升，激活下游CaM/CaMKIIδ通路。无论是敲低CALR还是通过药物提升胞内钙浓度，均显著增强重编程核心转录因子MEF2C的活性。CALR敲低甚至可部分替代外源MEF2C，借助成纤维细胞内源低表达的MEF2C并加强其活性，驱动细胞向心肌转化。这一机制将胚胎发育过程与病理环境下的再生联系起来，证明“重启”发育程序是实现高效再生的有效途径。

图2. 应激信号通过调控钙离子浓度的时空调控影响心脏重编程的机制解析

该研究首次将Perturb-seq应用于“在体重编程”领域，为在病理环境下批量发现再生靶点提供了新技术框架。研究揭示了CALR的核心作用及其分子机制，为心梗的“在体重编程”治疗策略提供了科学依据，并提出了具有临床应用潜力的新靶点。

未来技术学院2022级博士生蔡依泓、博士后杨洋、2019级博士生杨峻博为论文共同第一作者，赵扬为通讯作者。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。