在人体胚胎和出生后心脏发育过程中，心脏瓣膜重塑对瓣膜生成至关重要。此过程包括瓣膜的延长和细胞外基质(ECM)产量的增加，形成三层结构：纤维层、海绵层和室内层(半月瓣)或房室层(房室瓣)，主要由胶原蛋白、糖胺聚糖(GAG)和弹性蛋白组成。在孕14周时，经过心内膜-间充质转化，瓣膜主要由GAG组成；到孕36周时，瓣膜分化为三层ECM，随年龄增长成熟。正确的瓣膜重塑对正常瓣膜发育至关重要，若受扰则导致瓣膜疾病，如马凡综合征中的瓣膜脱垂、法洛四联症中的肺动脉瓣狭窄以及左心发育不良综合征中的主动脉瓣闭锁。

由于啮齿类动物缺乏相应的产前瓣膜重塑期，以及晚期妊娠和产前阶段获取人类瓣膜标本的难度大，目前人类心脏发育中瓣膜重塑的细胞和分子机制仍不明确。瓣膜间质细胞(VICs)适应动态机械力并分泌不同ECM成分，在瓣膜分区中起到重要作用，但对这些细胞亚型(尤其是产生弹性蛋白VICs)的全面表征仍然缺乏。弹性蛋白生成过程中，原弹性蛋白单体自组装，然后在包括纤维蛋白-1 (FBN1)、纤维蛋白-2 (FBN2)、EMILINs等因子的参与下聚集和成熟。然而，这些因子及其调控机制仍然未知。早期动物模型研究发现，血液流动应力能调节瓣膜重塑。啮齿类动物研究显示，内皮和心内膜感知血液流动应力并调节WNT依赖的心内膜垫重塑。鸡和斑马鱼中血液流动变化导致瓣膜畸形，引发严重心脏缺陷。然而，层流和湍流在调节VIC生理及其对瓣膜重塑和ECM组织的具体机制尚未确立。

最近的研究使用单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组学解析人类和小鼠瓣膜的细胞图谱。尽管人类中揭示了包括VICs和瓣膜内皮细胞(VECs)在内的多种瓣膜细胞类型，但其在早期重塑信号作用下的亚型尚未充分表征。

2024年7月27日，辛辛那提儿童医院顾名夏和苗一非团队在Nature Cardiovascular Research杂志上发表了题为“APOE-NOTCH axis governs elastogenesis during human cardiac valve remodeling”的文章，本研究对孕15周的四个胎儿瓣膜进行了scRNA-seq分析，鉴定出一种产生弹性蛋白的载脂蛋白E (APOE)⁺ VICs亚型，并揭示这些细胞通过APOE和ERK介导的NOTCH激活调节弹性纤维生成的功能。本研究提供了人类胎儿瓣膜的高分辨率细胞图谱，并为理解先天性瓣膜疾病中的弹性变形病理提供了机会。

在本研究中，研究人员通过对人类胎儿瓣膜进行单细胞RNA测序，鉴定出一种能够产生弹性蛋白的瓣膜间质细胞(VIC)亚型(富集表达载脂蛋白E，APOE⁺ VICs)，这些细胞在感应单向血流的瓣膜内皮细胞(VEC)下方。在对胎儿瓣膜间质细胞进行APOE敲除实验后，研究人员发现其弹性蛋白生成出现严重缺陷。之后在患有肺动脉瓣狭窄(PS)的瓣膜中，同样观察到了弹性蛋白出现断裂现象，以及APOE和其他调控弹性蛋白生成基因表达的减少。

细胞-细胞相互作用分析显示，来自单向血流感应的瓣膜内皮细胞中的锯齿状蛋白1 (JAG1)通过NOTCH2激活弹性瓣膜间质细胞中的弹性蛋白生成。不仅如此，在与单向血流下的瓣膜内皮细胞共培养的瓣膜间质细胞中也观察到了类似的现象。值得注意的是，在PS瓣膜中同样观察到JAG1-NOTCH2的显著减少。

最后，研究人员发现，APOE通过细胞外信号调节激酶(ERK)通路控制JAG1诱导的NOTCH激活和瓣膜间质细胞中的弹性蛋白生成。

综上，这些发现揭示了APOE在调节胎儿瓣膜发育中的关键作用。具体而言，APOE的敲除导致了弹性蛋白生成的缺陷，并且APOE在JAG1-NOTCH2信号通路中发挥调控作用。在健康的胎儿瓣膜中，单向血流感应的瓣膜内皮细胞通过分泌JAG1与瓣膜间质细胞中的NOTCH2结合，促进弹性蛋白的生成。然而，在PS病理状态下，JAG1-NOTCH2信号通路的显著减少导致了弹性蛋白生成的显著降低和组织结构的异常。

本研究的重要贡献在于通过单细胞RNA测序技术，首次揭示了胎儿瓣膜中APOE⁺弹性蛋白瓣膜间质细胞的存在及其在瓣膜发育中的功能。此外，研究结果显示APOE通过ERK通路调节JAG1诱导的NOTCH2激活，从而控制瓣膜间质细胞中的弹性蛋白的生成和组装。这个新的发现为理解PS等先天性瓣膜疾病的病理机制提供了新的视角，也为未来的治疗策略提供了潜在的靶点。

这项研究通过揭示胎儿瓣膜发育中APOE的关键调控作用及其在JAG1-NOTCH2信号通路中的作用，深化了我们对心脏瓣膜发育和病理过程的理解。未来的研究将进一步探索APOE及其相关信号通路在不同病理状态下的具体机制，以期为相关疾病的预防和治疗提供新的方法。

顾名夏实验室的博士后刘子羿、斯坦福大学Joseph C. Wu实验室的博士后刘宇以及顾名夏实验室的博士研究生余志云为本文共同第一作者，苗一非研究员为本文的共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s44161-024-00507-y