《The Nucleus》：Chromatin remodelers in heart development and congenital heart defects
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本文系统总结了ATP依赖性染色质重塑复合体（包括SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80家族）在心脏发育过程中的关键作用及其功能失调与先天性心脏病（CHD）的关联，揭示了染色质表观遗传调控是理解CHD病因和潜在治疗靶点的重要前沿方向。
心脏发育和先天性心脏病
先天性心脏病（CHDs）是最常见的出生缺陷之一，影响约0.8-1%的活产儿和约10%的死产。CHDs源于心脏发生过程中的扰动，这是一个高度协调的、涉及时空基因表达、细胞命运决定、形态发生和模式化的过程。这些细胞和分子过程受转录和染色质调控。越来越多的证据强调了染色质修饰蛋白，尤其是ATP依赖的染色质重塑因子（或重塑子）在协调心脏基因表达程序中的关键作用。染色质重塑子利用ATP水解产生的能量来重新定位、弹出或重构核小体，从而调节转录机器对DNA的可及性。在动物模型和人类遗传学研究中，染色质重塑子的突变、缺失或失调可破坏正常的心脏发育，并日益与一系列CHDs相关联。
ATP依赖性染色质重塑子
ATP依赖的染色质重塑子是含有中心ATP酶亚基的蛋白复合体，利用ATP水解产生的能量来重排、弹出或重构核小体。重塑子主要分为四个家族：SWI/SNF（也称BAF）、ISWI、CHD（染色质域-解旋酶-DNA结合）和INO80。每个家族都有其独特的亚基组成（如文中图1所示），共同拥有一个保守的SWI/SNF样ATP酶结构域。这四个家族在心脏发育的不同阶段扮演着特定角色（如文中图2所示），并通过与核心心脏转录因子（如NKX2-5、GATA4、TBX5）的相互作用，精确调控心脏基因程序，对心肌细胞谱系特化、形态发生和心脏结构完整性至关重要。
SWI/SNF或BAF重塑子
BAF重塑子组成
BAF复合体是酵母SWI/SNF染色质重塑复合体的脊椎动物同源物，包含两个互斥的ATP酶BRG1 (SMARCA4) 或BRM (SMARCA2) 之一。在哺乳动物中，BAF复合体包含12-15个亚基，由29个基因编码。BAF存在三种不同的组装形式：经典BAF (cBAF)、含Polybromo的BAF (PBAF)和非经典BAF (ncBAF)，它们由不同亚基的存在与否来定义。其亚基组成具有高度的细胞类型特异性，这种动态的、独特的亚基组合是BAF复合体调控功能的基础。
BAF重塑子在心脏发育中的作用
SWI/SNF染色质重塑复合体的多个亚基已被认为是心脏发育的重要调节因子。它们通过与TBX5、GATA4和NKX2-5等核心心脏发生转录因子的直接物理或功能相互作用发挥作用。
ATP酶亚基：BRG1 (SMARCA4) 对心血管发育至关重要。在人类胎儿发育中，BRG1表达在孕中期最高。CHD婴儿心肌组织的研究发现BRG1基因第二个内含子中CpG岛岸的甲基化降低，这与BRG1转录本和蛋白水平下降约70%相关。在小鼠中，心肌细胞中Brg1的杂合缺失会导致大多数胚胎在妊娠中期死亡，表现为室间隔缺损（VSDs）、心脏扩张以及房室传导阻滞和窦房结功能障碍等传导系统异常。BRG1剂量依赖性地调控心脏基因如Nppa、Tbx5和Bmp10的表达。斑马鱼中brg1的功能缺失突变和吗啉环敲低也会导致严重的心脏缺陷。在发育中的心脏，内皮细胞中的Brg1通过调控金属蛋白酶Adamts1的表达来调节心肌小梁化。心肌中的BRG1则通过Bmp10表达和抑制细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p57kip2来维持胎儿基因表达程序，促进细胞增殖。另一ATP酶BRM (SMARCA2) 虽对小鼠发育并非必需，但其在小鼠胚胎干细胞中的缺失会导致中胚层细胞向心肌细胞分化失败，表明其在心脏分化中起作用，可防止神经谱系调节因子（如Pou3f1）的不当表达。
核心亚基：BAF60c (SMARCD3) 是BAF核心模块的三个BAF60旁系同源物之一。它在注定形成心脏祖细胞的Mesp1阳性中胚层前体细胞亚群中特异性表达。小鼠中Baf60c的种系RNAi敲低会导致胚胎在E10-E11死亡，伴有心脏缺陷，包括心室发育不全、小梁化不足、流出道缩短和心脏环化异常。Baf60c与Gata4、Tbx5的共过表达可以将小鼠中胚层前体细胞重编程为搏动的心肌细胞，突显了其在心脏发生和心脏细胞重编程中的重要性。其他核心亚基如BAF155 (SMARCC1) 和BAF170 (SMARCC2) 也在心脏发育中扮演角色，例如在神经嵴细胞中共同缺失会导致BAF复合体破坏，并表现出广泛的缺陷，包括颅面、咽弓和心脏流出道发育异常。
经典BAF (cBAF) 亚基：BAF250a (ARID1A) 对早期胚胎发生和心脏发育至关重要。小鼠中缺失Arid1a的胚胎无法发育超过约E6.5。在前第二心区特异性敲除Baf250a会导致严重的心肌缺陷。BAF45c (DPF3) 含有串联PHD结构域，可结合组蛋白修饰。在法洛四联症患者的右心室中表达上调。斑马鱼中dpf3敲低会影响心脏环化和心室收缩力。
PBAF亚基：BAF200 (ARID2) 是PBAF复合体稳定所必需的，并参与调节心脏基因（如Nppa）的转录激活。它与血清反应因子（SRF）以及NKX2-5相互作用。Baf200突变小鼠胚胎在E14.5左右表现出多种严重心脏缺陷。BAF180 (PBRM1) 对胚胎和心脏发育不可或缺，并与视黄酸（RA）信号通路相互作用，这对心脏房室特化和冠状动脉血管发育至关重要。
ncBAF亚基：GLTSCR1亚基与心脏发育和疾病有关。神经嵴细胞中Gltscr1的缺失会导致严重的CHDs。机制上，Gltscr1通过介导增强子-启动子相互作用来调控心脏特异性Nppa基因的表达。
BAF重塑子与人类先天性心脏病
人类外显子组测序研究已发现，多个SWI/SNF染色质重塑亚基中的新发变异是导致伴有心脏表型的几种先天性综合征的基础。这些亚基的突变与Coffin-Siris综合征（CSS）、Nicolaides-Baraitser综合征（NCBRS）和ARID1B相关的智力障碍（ID）综合征有关。患有这些疾病的个体通常表现出显著的神经发育障碍以及一系列先天性心脏缺陷。在CSS患者队列中，ARID1B (BAF250B) 的致病性变异是主要的遗传原因，约占50-83%的确诊病例。约5-10%的CSS病例归因于SMARCA4 (BRG1) 的变异。其他BAF复合体亚基，包括SMARCB1 (BAF47)、SMARCE1 (BAF57) 和SMARCC2 (BAF170) 各占约2-7%的病例。相比之下，SMARCA2 (BRM) 是导致NCBRS的主要致病基因，约80-82%的NCBRS个体携带杂合新发错义突变。
ISWI重塑子
ISWI重塑子组成
模仿开关（ISWI）家族的染色质重塑复合体在真核生物中高度保守，围绕两个ATP酶亚基之一——SMARCA1 (SNF2L) 或SMARCA5 (SNF2H) 组成。每个ATP酶与一组特征性的调节蛋白结合，形成不同的ISWI复合体，包括BAZ1A (ACF1)、BAZ1B (WSTF)、BAZ2A (TIP5)、BPTF、CECR2和RSF1。研究表明，两种ATP酶都可以与所有六个调节模块结合，支持了ISWI复合体组装的模块化和组合性框架。
ISWI重塑子在心脏发育和人类先天性心脏病中的作用
ISWI复合体通过调节核小体定位和染色质压缩，在维持基因组稳定性和确保精确转录方面发挥重要作用。在哺乳动物中，ATP酶SNF2H是早期胚胎存活所必需的。ISWI (SNF2H) 活性是中胚层分化所必需的。BAZ1B (WSTF) 亚基对心脏发育也至关重要，Baz1b?/?小鼠在出生前后死亡，并表现出可变表型，包括生长衰竭和动脉导管未闭等CHD表型。尽管证据表明ISWI重塑子通过在中胚层特化、心脏祖细胞增殖、内皮谱系分化和全局染色质组织中的作用来影响心脏发生，但其对心脏发育的贡献相对研究不足。
在人类疾病方面，ISWI相关基因与一些涉及心脏的综合征有关。例如，17q24.2–q24.3微缺失综合征与发育迟缓、智力障碍和先天性心脏异常有关，该区域包含NURF复合体的定义亚基BPTF。CECR2基因的突变与猫眼综合征（CES）相关，CES表现为多系统缺陷，包括心脏畸形。此外，BAZ1B单倍体不足会导致Williams-Beuren综合征（WBS），这是一种复发性7q11.23微缺失疾病，患者常出现心血管异常，最常见的是主动脉瓣上狭窄。这些情况表明，虽然ISWI相关基因可能是与结构性心脏病相关的染色体区域的一部分，但ISWI复合体与CHD之间的直接机制联系尚未牢固确立。
染色质域-解旋酶-DNA结合（CHD）重塑子
CHD重塑子组成与功能
CHD重塑子由两个串联的染色质域和一个SNF2样ATP酶/解旋酶核心定义。九个CHD蛋白（CHD1–CHD9）根据其结构特征和功能分为三个亚家族。CHD复合体可通过核小体重定位促进基因激活或抑制，其染色质域能够识别甲基化的组蛋白尾巴，并与DNA和RNA相互作用。其中CHD3、CHD4和CHD5是NuRD转录抑制复合体的核心成分。
CHD重塑子在心脏发育和人类先天性心脏病中的作用
CHD染色质重塑子在心脏谱系特化和形态发生中具有重要作用。其中，CHD4对正常心脏发育至关重要，它与GATA4、NKX2-5和TBX5等转录因子协同工作，抑制骨骼肌和平滑肌基因程序，支持心肌细胞增殖，并维持适当的细胞外基质组织，从而防止过度小梁化、心室致密化不全等缺陷和妊娠中期死亡。同样，Chd7在前中胚层的缺失会导致类似于CHARGE综合征的严重心血管畸形，纯合缺失会导致胚胎致死。Chd7是神经嵴和中胚层心脏祖细胞发育所必需的，其单倍体不足通常导致主动脉弓和流出道缺陷。在中胚层第二心区祖细胞中，CHD7与ISL1调节的增强子相互作用并结合，以调节心脏形态发生。CHD8在发育早期也是不可或缺的，其完全缺失会导致着床期致死。
在人类疾病中，CHD重塑子的突变与综合征性和非综合征性先天性心脏病均有关联。CHD7重塑子突变是CHARGE综合征的基础，这是一种常染色体显性遗传的多系统发育障碍，常伴有房室间隔缺损和流出道异常等心脏畸形。同样，NuRD复合体核心成分CHD4的突变也与结构性心脏缺陷和神经发育障碍有关。这些突变常常破坏早期心脏发生过程中的转录调控，影响细胞谱系特化、增殖和形态发生。
总结与展望
综上所述，ATP依赖的染色质重塑复合体是心脏发育过程中基因表达程序的关键表观遗传调控者。SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80家族的成员通过动态重塑染色质景观，与核心心脏转录因子网络协同作用，精确指导心脏谱系特化、形态发生和成熟。这些重塑子的突变或功能失调，日益被证实是先天性心脏病的重要病因。对这些表观遗传机制的深入理解，不仅揭示了CHD发病的新途径，也为未来开发针对染色质重塑过程的诊断和干预策略提供了潜在方向。
