Cell | V型胶原蛋白在心梗之后瘢痕组织中的调节作用

急性心肌梗死后，坏死的心肌被瘢痕（scar）组织所取代。心肌梗死后瘢痕组织大小是心血管预后的独立预测因子【1】，但是目前对影响瘢痕大小的因素知之甚少。

为了揭开心脏损伤后调节瘢痕组织大小的决定因素，近日，美国加州大学洛杉矶分校Arjun Deb研究组发文题为Type V Collagen in Scar Tissue Regulates the Size of Scar after Heart Injury，发现V型胶原蛋白在改变瘢痕组织力学性能以及影响瘢痕大小方面发挥了重要作用。

为了确定心肌梗死后瘢痕大小的决定因素，作者们对动物进行了3天到6周心肌缺血损伤处理并对分离的心脏瘢痕组织进行转录谱分析。作者们对C57BL/6小鼠采用永久性结扎左冠状动脉前降支的方式【2】来实现缺血性心肌损伤同时观察急性和进行性心功能丧失。在缺血损伤后3、7、14、21、42天后作者们解剖取出心脏损伤后纤维化瘢痕组织，通过RNA-seq对损伤后不同时间点的基因表达变化进行检测。通过主成分分析（Principal-component analysis, PCA）后作者们发现在损伤区域和非损伤区域基因表达的差异是持续存在的。但是需要提到的一点是瘢痕组织的主要转录变化发生在损伤早期，损伤后2周的瘢痕组织进一步成熟与转录变化无关。作者们认为，直接调节瘢痕大小的基因是在心肌缺血损伤后的早期上调的。胶原蛋白（Collagens）是损伤早期最显著上调的基因之一。作者们检测了编码所有类型胶原亚单位基因的表达模式后发现一系列不同的胶原基因在急性缺血性心脏损伤后早期被稳健地诱导。

随后作者们对损伤后第7天解剖的新生瘢痕组织与未损伤组织之间胶原表达差异进行蛋白质组分析。其中胶原蛋白肽链COL1A1、COL3A1与 COL5A1表达明显升高。但是与其他的胶原蛋白基因相比，Col5a1是唯一一个在瘢痕组织中损伤早期被显著诱导表达的。另外，通过对I型、III型和V型胶原蛋白空间表达模式进行分析后，作者们发现I型、III型和V型胶原蛋白在损伤区域重叠表达，单个心肌成纤维细胞同时具有产生V型和I/III型胶原蛋白的能力。

为了对V型胶原蛋白在损伤心脏中的功能进行解析同时考虑到Col5a1基因纯合缺失导致组织中V性胶原蛋白缺失导致胚胎时期致死【3】，作者们构建了Col5a1 CKO小鼠。在缺血损伤后，作者们发现Col5a1 CKO组心肌收缩性能明显降低并且导致严重的纤维化。另外，作者们还发现V型胶原蛋白的缺失不仅导致瘢痕大小增加，而且导致瘢痕结构明显异常。通过使用特异性表达在成体心脏心肌成纤维细胞中的Cre driver，作者们再次确认了V型胶原通过在早期纤维化修复反应中发挥关键作用而影响损伤后的心脏功能恢复。

那么，V型胶原蛋白的缺失是如何影响瘢痕组织大小的呢？为了解决该问题，作者们对瘢痕转录特征变化最大的损伤后几天内的损伤区域和未损伤区域进行分离并进行scRNA-seq测序。从其中作者们发现肌成纤维细胞Acta 2基因在损伤心脏细胞中显著表达而在未损伤的区域不表达。肌成纤维细胞表现出蛋白合成和收缩表型，被认为是分泌细胞外基质蛋白形成瘢痕组织的主要细胞【4】。另外，从scRNA-seq结果作者们还发现瘢痕组织成纤维细胞中大量的细胞外基质蛋白基因表达明显升高，瘢痕组织区域存在广泛的细胞骨架组织和成纤维细胞的活化。作者们发现与对照组相比，Col5a1 CKO瘢痕组织中肌成纤维细胞数量增加可能是通过肌成纤维细胞分化/形成增加的基础，而不是肌成纤维细胞增殖。

进一步地，作者们想知道V型胶原蛋白的缺失对于瘢痕组织的机械特性是否存在影响从而驱动肌成纤维细胞分化。作者们通过原子力显微镜对瘢痕组织的硬度进行了检测，发现Col5a1 CKO瘢痕组织硬度下降，而硬度下降更容易使组织由于血流动力学的力量而膨胀。而且成纤维细胞会使得心脏组织收缩能力的减弱。这两者都可能是Col5a1 CKO中心脏损伤后导致瘢痕大小增加的原因。另外，作者们发现促进Col5a1 CKO动物心脏中肌成纤维细胞分化的原因是整联蛋白（Integrins）avβ3和avβ5表达的明显升高，通过对Col5a1 CKO动物施用抑制整联蛋白药理的药物足以挽救其表型。

总的来说，Deb研究组的工作证明了V型胶原蛋白是损伤后心脏功能恢复的关键驱动因素。V型胶原蛋白的缺陷会改变瘢痕组织的力学特征，诱导整联蛋白的表达从而驱动肌成纤维细胞的激活以及瘢痕组织大小的增加。通过施加整联蛋白特异性抑制剂可以改善V型胶原蛋白缺失小鼠心脏瘢痕组织大小增加的表型。因此，在心脏损伤过程中V型胶原蛋白以整联蛋白依赖的方式调节瘢痕组织的大小，可以通过此损伤愈合的模型对瘢痕组织的大小进行限制提高心脏损伤的治疗和预后的效果。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.030