脊椎动物的心脏由不同类型的细胞组成，这些细胞对正常的心脏功能都至关重要。在小鼠中，心肌细胞最早的中胚层祖细胞在原肠形成过程中形成，从原条（primitive streak）进行喙侧迁移，形成心脏新月形，并开始收缩活动。心脏新月形随后进行重塑，形成线形心管。至少有两组不同的中胚层心脏祖细胞：第一生心区（first heart field, FHF）和第二生心区（second heart field, SHF），这两组中胚层心脏祖细胞根据早期胚胎不同但重叠的区域中表达的标记基因来大致确定。来自这些生心区之外的细胞也对心脏有帮助。其中一个这样的结构，即前心外膜（proepicardium），产生了心外膜，而心外膜是脊椎动物心脏最外面的一层细胞。心外膜提供了重要的旁分泌信号，也能产生多种心脏细胞类型，包括心肌细胞、血管平滑肌细胞和成纤维细胞。
科学家们目前对早期发育过程中不同心脏细胞类型何时以及如何产生的理解是有限的。单细胞转录组学提供了一种强大的方法来表征胚胎心脏的各种细胞类型，并产生关于它们的起源和命运的假说。因此，在一项新的研究中，来自英国牛津大学、剑桥大学和德国亥姆霍兹慕尼黑中心的研究人员将单细胞RNA测序与高分辨率容积成像和时差显微镜相结合，在单细胞分辨率下精确地表征小鼠胚胎心脏的细胞。这种强大的组合方法为心脏祖细胞类型及其向心肌细胞的分化轨迹提供了一个统一的转录和解剖学定义。相关研究结果发表在2021年3月5日的Science期刊上，论文标题为“Characterization of a common progenitor pool of the epicardium and myocardium”。
图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb2986。
这些作者利用手工显微切割技术分离小鼠胚胎的心脏区域，从早期的心脏新月形到线性心管阶段，并进行单细胞RNA测序。这使得他们能够在转录上确定该区域的心脏祖细胞群体，包括FHF和SHF。作为一个用户友好的社区资源，他们创建了一个网络界面来探究这些数据：https://marionilab.cruk.cam.ac.uk/heartAtlas/。
为了在在单细胞分辨率下确定这些细胞群体的解剖位置，这些作者使用全胚胎免疫组织化学（whole-mount immunohistochemistry）、多重荧光原位杂交和对多种标志物的高分辨率容积成像。这种全面的成像分析揭示了这些转录簇的离散位置，并强调了心肌细胞的空间有序成熟。它还确定了一群位于心脏新月形喙部的祖细胞，位于胚胎和胚胎外中胚层的交汇处，他们称之为心周区（juxta-cardiac field, JCF）。利用单细胞分辨率时差成像和遗传谱系标记，他们确定JCF可以有助于心肌细胞和心外膜产生。因此，JCF代表了已知最早的心外膜祖细胞。
由此可见，这项研究详细描述了心脏祖细胞的转录状态和解剖位置，以及它们在向心肌细胞分化过程中的过渡状态，从而成为宝贵的社区资源。此外，它还提供了对心脏形成的新见解。通过鉴定心周区，这项研究拓宽了心脏祖细胞区域，并确定了前心外膜最早的祖细胞。这项研究将有助于更好地理解先天性心脏缺陷的起源，并为开发治疗心脏病的再生方法提供基本见解。
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