題目：BET inhibition blocks inflammation-induced cardiac dysfunction and SARS-CoV-2 infection

PMID：33811809
  該研究涉及的組學(xué)內(nèi)容：磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)；單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組學(xué)；
  單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（sc-RNA-seq）的平臺(tái)：10 x Genomics
  實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象：COVID-19 患者血清，人類心臟類器官 hCOs，K18-hACE2 小鼠，脂多糖 LPS 構(gòu)建的 CS 小鼠模型。

該研究通過(guò)多模型數(shù)據(jù)結(jié)果綜合分析闡述了 COVID-19 感染后患者心臟的病毒反應(yīng)引起的心臟功能障礙的作用機(jī)制，并有針對(duì)性的探索這一過(guò)程中主效的兩個(gè)蛋白分子的 3 處磷酸化修飾位點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)這兩個(gè)分子，探索了含溴抑制劑（尤其是 INCB054329）在這一過(guò)程中的治療作用。接下來(lái)讓我們?cè)敿?xì)了解下作者是如何應(yīng)用多組學(xué)的思維進(jìn)行這樣一項(xiàng)大規(guī)模的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)吧：

研究概述

COVID-19 感染的人群常伴有心臟損傷和功能障礙的發(fā)生，極大程度增加了死亡風(fēng)險(xiǎn)。但其導(dǎo)致心臟損傷及功能障礙的原因尚不清楚，推測(cè)可能是過(guò)度的炎癥反應(yīng)引發(fā)的。為了確定 COVID-19 治療藥物對(duì)心臟的保護(hù)機(jī)制， 作者使用了磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)和單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（sn-RNAseq）相結(jié)合的方法， 圍繞不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌? 心臟類器官 模型展開(kāi)研究。確定了：干擾素 TNF-γ，白介素 IL-1β 的混合物誘發(fā)了心臟舒張功能障礙。該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在 SARS-CoV- 2 感染后，含溴結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì) - 4 隨病毒反應(yīng)而被激活，并且該病毒反應(yīng)在人心臟類器官 human cardiac organoids（hCOs）和 SARS-CoV- 2 感染的 K18-hACE2 小鼠心臟中的結(jié)果均一致。在含溴的抑制劑（BETi）作用下，感染 SARS-CoV- 2 的 hCOs 模型可恢復(fù)舒張功能。此外，BETi 抑制劑減少了病毒反應(yīng)中病毒復(fù)制相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，降低了 ACE2 蛋白的表達(dá)，并減少了心肌細(xì)胞的 SARS-CoV- 2 感染比率。本研究結(jié)果顯示：包括食品和藥物管理局（FDA）指定藥物阿帕地韋在內(nèi)的 BETi 抑制劑都是有望預(yù)防 SARS-CoV- 2 介導(dǎo)的心臟損害的候選藥物。

主要研究思路

作者利用人類多能干細(xì)胞（hPSC）衍生出的心臟類器官（hCOs）模型，在體外模擬 Cov-19 引發(fā)炎癥型心臟功能障礙模型以及對(duì) BETi 治療的 hCOs 模型開(kāi)展研究。作者使用磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)和單細(xì)胞核測(cè)序（sn-RNA-seq）相結(jié)合的方法，以確定心臟功能障礙的治療靶點(diǎn)和治療方法（圖 1）。

▲圖 1 主要研究示意

結(jié)果數(shù)據(jù)

1. 磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)：研究心臟細(xì)胞炎癥反應(yīng)引起的功能障礙的機(jī)制

從 COVID-19 患者中觀察到的常見(jiàn)的心臟功能障礙類型是：右心室收縮功能障礙和左心室舒張功能障礙。作者重點(diǎn)研究了由 IFN-γ，IL-1β 和 poly（I：C）引起的舒張功能障礙。 作者使用 磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù) 測(cè)量了 hCOs 樣本，鑒定出了 7,000 多個(gè)磷酸化修飾位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)與心臟功能障礙相關(guān)的炎性蛋白分子參與的生化反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生大量的磷酸化修飾（圖 2）。作者對(duì)磷酸化修飾的結(jié)果中兩個(gè)分子的三個(gè)位點(diǎn)展開(kāi)了重點(diǎn)研究 [STAT1（S727）及 BRD4（S469）和（S1083）的兩個(gè)位點(diǎn)]（圖 2B 和 2C）。（選擇這些位點(diǎn)展開(kāi)研究的理由：每種靶標(biāo)或其上游調(diào)節(jié)劑均具有特定的小分子抑制劑）

▲圖 2 磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)揭示了驅(qū)動(dòng)心功能不全的信號(hào)

2. 應(yīng)用 sn-RNA-seq 技術(shù)研究：驗(yàn)證磷酸化蛋白組學(xué)的結(jié)果的類群間異質(zhì)性

在確定了初始研究目標(biāo)后，作者繼續(xù)使用 sn-RNA-seq 技術(shù)檢測(cè)炎癥因子刺激（CS）狀態(tài)下 hCOs，其中成纖維細(xì)胞類群和激活的成纖維細(xì)胞類群的細(xì)胞數(shù)量增加（圖 3B）。KEGG 通路分析顯示：心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄反應(yīng)均以病毒感染的相關(guān)反應(yīng)為主（圖 3）。下調(diào)的基因較少且主要分布在成纖維細(xì)胞中，并由細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）基因（包括 COL1A1，COL3A1 和 COL4A5）控制（圖 3）。轉(zhuǎn)錄反應(yīng)高的是 STAT1 和 EP300 的一般表觀遺傳激活（圖 3）。這與作者的磷酸蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)一致（圖 2）。這些分析共同揭示了心臟在多個(gè)細(xì)胞群體中均發(fā)生了較強(qiáng)的病毒應(yīng)激反應(yīng)（圖 3）， 作者推測(cè)心臟的病毒應(yīng)激反應(yīng)是通過(guò) STAT1 和 BRD4 的表觀遺傳激活介導(dǎo)的。

▲圖 3 sn-RNA-seq 揭示 CS 激活人類心臟類器官（hCOs）的病毒反應(yīng)

3. 應(yīng)用 sn-RNA-seq 技術(shù)研究：預(yù)防和治療心臟功能障礙的藥物

該研究篩選了治療： 由 TNF- γ 引起的收縮功能障礙或多重炎性細(xì)胞因子（CS）驅(qū)動(dòng)的舒張功能障礙引起的 心臟功能障礙的藥物 （圖 4）。結(jié)果顯示藥物：Baricitinib 預(yù)防了 TNF- γ 誘導(dǎo)的 hCOs 收縮型功能障礙（圖 4）。并且作者在 CS 處理的 hCOs 樣本的磷酸蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)中觀察到 BRD4 的磷酸化水平升高，該結(jié)果與 snRNA-seq 分析的結(jié)果一致。在藥物篩選過(guò)程中，引人注目的是：INCB054329 以劑量依賴的方式預(yù)防了 CS 引起的舒張功能障礙（圖 4）。JQ- 1 還顯示出一種 hPSC 系在高濃度下舒張功能得到改善，因此測(cè)試了 JQ- 1 和 ABBV-744 的其他更高濃度。盡管 INCB054329 是有效的。但是相比之下，ABBV-744 可能通過(guò)其作為雄激素受體抑制劑的雙重作用而增加 hCOs 的舒張功能障礙，這與接受雄激素剝奪治療的患者延長(zhǎng) QTc 有關(guān)。為了驗(yàn)證 BRD4 是否為靶標(biāo)，作者使用了腺相關(guān)病毒 AAV（血清型 6）介導(dǎo)的短發(fā)夾（sh-RNA）遞送，并證明大約 74% 的敲除可以減少 CS 治療的 hCOs 中的舒張功能障礙。INCB054329 介導(dǎo)的 BETi 在 CS 病情 24 小時(shí)后挽救了功能異常的 hCOs 并恢復(fù)了舒張功能（圖 4）。這可能是因?yàn)?CS 引起的舒張功能障礙是可逆的，并且是由炎癥介質(zhì)驅(qū)動(dòng)的，這是通過(guò)去除 CS 因子后 24 小時(shí) hCOs 部分恢復(fù)數(shù)據(jù)所證實(shí)的（圖 4）。在患者中，所有炎性因子可能同時(shí)存在，該研究發(fā)現(xiàn) INCB054329 可同時(shí)具有所有四種功能障礙誘導(dǎo)因子 TNF，IFN-γ，IL-1β 和 poly（I：C）減輕舒張功能障礙。綜上所述，CS 通過(guò)依賴 BRD4 的機(jī)制介導(dǎo)舒張功能障礙，可使用（含溴抑制劑）BETi 阻斷。因?yàn)?BRD4 在我們的 hCOs 中廣泛表達(dá)（圖 4）。

▲圖 4 發(fā)現(xiàn)能改善心臟功能障礙的藥物

總結(jié)

隨后作者圍繞這一結(jié)論展開(kāi)了系統(tǒng)的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中涉及了多種感染模型，小伙伴們?nèi)粝肓私獗狙芯康母嗉?xì)節(jié) 掃二維碼下載原文及附件。

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