12月18日，国际学术期刊Circulation 在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周斌研究组的科研成果“Fate Mapping of Sca1+ Cardiac Progenitor Cells in the Adult Mouse Hearts”。研究人员利用特异性标记心脏Sca1+干细胞的Sca1-2A-CreER小鼠，揭示Sca1+心脏干细胞在正常生理和心脏损伤模型中能转分化为心脏内皮细胞和成纤维细胞，不转分化为心肌细胞。本研究揭示了Sca1+心脏干细胞的转分化潜能，有助于研究人员进一步深入了解成体心脏中Sca1+干细胞的作用，为心血管再生医学研究提供新的思路。

该研究中Sca1-2A-CreER小鼠模型由南模生物构建。

成体干细胞是可以自我更新的细胞，也可以分化为2种以上不同的细胞类型。成体干细胞似乎是人体组织再生的解决方案。成人干细胞可能从现有组织中分离出来（甚至可能组织活检或血液样本即可），然后获得足够数量的患者自己的分化细胞。无论感兴趣的组织是什么，研究人员都希望识别并分离出该组织的内源性成体干细胞。

冠状动脉疾病引起心肌梗死和心衰，是人类因疾病死亡的首要原因。发生急性心肌梗死后，心肌细胞和血管内皮细胞大量死亡，仅少量心肌细胞分裂增殖，如何提高心脏心肌细胞的再生已经成为该领域的研究热点。前期研究表明在心脏中存在的心脏干细胞可以在损伤的情况下贡献到心肌细胞，从而提高损伤心脏的修复能力。

Sca-1是Ly6蛋白超家族的成员。目前至少发现有35种人和61种小鼠Ly6蛋白。小鼠Sca-1细胞表面蛋白的功能尚不清楚，并且没有明确的人类直系同源物。体外细胞和移植实验表明Sca1+心脏干细胞可以转分化为心肌细胞，同时Sca1+作为血管干细胞可以通过增殖、分化转变为血管内皮细胞。这些早前的研究说明Sca1+细胞具有多种分化潜能，但心脏中内源性的Sca1+细胞是否作为成人心脏干细胞，能否贡献到心肌细胞和内皮细胞仍有待于进一步研究。

• 建立Sca1+谱系示踪工具鼠Sca1-2A-CreER

利用CRISPR基因编辑技术，将2A自切割肽连同他莫昔芬诱导型Cre重组酶CreER定点敲入到小鼠内源性Sca1的终止密码子位置，建立Sca1-2A-CreER工具小鼠。该策略不会破坏内源性Sca1蛋白的产生。

图A.  Schematic figure showing the knockin strategy for generation of Sca1-2A-CreER allele.

• Sca1-2A-CreER特异和高效地标记Sca1+心脏干细胞

将Sca1-2A-CreER小鼠与R26-LSL-tdTomato报告基因小鼠交配获得Sca1-2A-CreER;R26-tdTomato小鼠。抗雌激素药物他莫昔芬（tamoxifen）诱导处理24-48小时后，收集Sca1-2A-CreER;R26-tdTomato小鼠的心脏样本。流式细胞分析和免疫染色数据显示Sca1-2A-CreER特异性标记小鼠心脏中的内源性Sca1 +细胞（图B-D）。

图B-D. B, Immunostaining for Sca1 and tdTomato on Sca1-2A-CreER;R26-tdTomato heart section collected at 24 to 48 hours after tamoxifen induction. C, Quantification of the percentage of Sca1+ cells in tdTomato+ cells. D, Flow cytometric analysis of Sca1+ cells in tdTomato+ cells, showing specificity of Sca1+ cell labeling.

Z-stack confocal图像显示Sca1+细胞是VE-cad +细胞（图E），因为大多数（67.48±2.18％）VE-cad+内皮细胞是tdTomato+的，而几乎所有tdTomato+细胞（95.14±0.71％）是VE-cad+内皮细胞。对tdTomato和TNNI3的免疫染色显示Sca1-2A-CreER没有标记心肌细胞（图F）。在分离出来的心肌细胞中也未发现任何tdTomato +细胞（图G）。表明Sca1-2A-CreER可以特异和高效地标记Sca1+心脏干细胞，其中主要标记血管内皮细胞。

图E-G.  E and F, Immunostaining for tdTomato and VE-cad (E) or TNNI3 (F) on heart sections. Arrowheads indicate tdTomato+ endothelial cells. YZ indicates signals from dotted lines on Z-stack images. G, Bright-field and epifluorescence images of dissociated cardiomyocytes.

• 利用Sca1-2A-CreER小鼠研究Sca1+心脏干细胞在正常生理情况下的命运变化

对8周龄的Sca1-2A-CreER;R26-tdTomato小鼠注射他莫昔芬，收集注射后1-12周小鼠心脏样本。对tdTomato和TNNI3染色的Z-stack confocal图像、流式细胞术分析、以及分离心肌细胞结果均显示并没有发现tdTomato+心肌细胞（图H-J）。相比之下，流式细胞分析显示60.88±2.38％的内皮细胞表达tdTomato（图K）。值得注意的是，94.25±0.54％的tdTomato +细胞是CD31 +内皮细胞（图K），表明大多数Sca1 +细胞在心脏稳态期间采用内皮细胞命运。tdTomato和CD31的免疫染色显示Sca1+细胞对大量内皮细胞有贡献（图L）。Sca1+细胞也有助于心脏成纤维细胞。流式细胞和Z-stack confocal图像分析显示，不到2％的PDGFRα+细胞被tdTomato标记，而不到0.6％的tdTomato+细胞表达PDGFRα（图M和N）。说明在稳态心脏中，Sca1+心脏干细胞可以贡献到心脏内皮细胞和少量的成纤维细胞，但并不能转分化心肌细胞。

图H-N.  Fate mapping of Sca1+ cells during cardiac homeostasis at 12 weeks after tamoxifen induction.

• 利用Sca1-2A-CreER小鼠研究Sca1+心脏干细胞在心脏损伤情况下的命运变化

在他莫昔芬治疗后2周进行心肌梗塞（MI）模型，并在MI后第1、4和6周收集心脏。对tdTomato和TNNI3染色的Z-stack confocal图像显示MI心脏中没有发现任何tdTomato+心肌细胞（图O-P）。流式细胞术分析显示没有tdTomato +心肌细胞（图Q）。分离心肌细胞也没有发现tdTomato +心肌细胞（图R）。通过对MI心脏切片上的tdTomato和VE-cad进行免疫染色，在受损区域检测到大量tdTomato+冠状动脉内皮细胞（图S）。在MI心脏的梗塞和边界区域中检测到PDGFRα+ tdTomato +细胞（图T-V）。在缺血再灌注模型中，Sca1 +细胞也对心脏内皮细胞有贡献，但对心肌细胞没有贡献（图W和X）。这些结果说明在心脏损伤模型中，Sca1+心脏干细胞可以贡献为血管内皮细胞和成纤维细胞，而并不转分化为心肌细胞。

图O-X. Fate mapping of Sca1+ cells after heart injuries.

综合上述实验结果，成体Sca1+心脏干细胞具有转分化为血管内皮细胞和成纤维细胞的潜能，通过血管新生促进心脏修复（图Y）。

图Y.  Schematic figure showing Sca1+ cell fate in the adult heart.

这期Circulation杂志还同期刊发了另外4项关于Sca1+干细胞的研究。

• Neidig等人将他莫昔芬诱导型MerCreMer敲入到小鼠Sca1基因起始密码子位置，通过用他莫昔芬打开重组酶并标记Sca1+细胞，发现Sca1 +细胞变成内皮细胞，很少有心肌细胞标记；

• Vagnozzi等人使用组成型Sca1-Cre和诱导型Sca1-MerCreMer发现Sca1+细胞在整个发育期间，衰老期间和损伤后都会产生心脏血管系统，对心肌细胞群有很小的贡献；

• Zhang等人设计了一系列重组酶以及荧光报告基因小鼠，以识别和跟踪心脏中的Sca1 +细胞;他们发现Sca1 +细胞只是内皮细胞谱系的；

• Soonpaa等人研究分离了GFP+小鼠的Sca1 +细胞并用第二个报告基因标记心肌细胞核，这样能够将Sca1 +细胞移植到受损的心脏细胞中，并确定细胞是否成为心肌细胞，结果发现移植的Sca1 +细胞不会产生心肌细胞。

• 利用不同的技术和研究策略，这5项研究均表明，心脏中的Sca1 +细胞很少成为心肌细胞，而Sca1 +心脏细胞的主要命运是成为内皮细胞（如下图所示）。

图Z. Significant numbers of cardiomyocytes do not arise from Sca-1+ cells. (Circulation. 2018;138:2940–2942)