心脏再生需要成熟心肌细胞的去分化和增殖，但这种可塑性背后的机制尚不清楚。为了揭开这一问题的答案，2021年4月9日，澳大利亚张任谦心脏研究所Kazu Kikuchi研究组发文题为Krüppel-like factor 1 is a core cardiomyogenic trigger in zebrafish，发掘出了斑马鱼中与心肌细胞增殖和去分化相关的关键因子KLF1（Krüppel-like factor 1）并揭开了KLF1发挥功能的具体分子机制。

与哺乳动物不同的是，心脏受损后，斑马鱼可以有效地进行心脏再生。斑马鱼的心脏再生是通过心肌细胞在创伤区域的增殖激活而发生的。在早期的一项研究中曾发现，斑马鱼心室受损后与视黄酸合成相关的信号通路中Raldh2/Aldh1a2合成酶表达量出现了显著地升高【1】。另外，作者们发现klf1作为调节红细胞生成过程关键转录因子的编码基因【2】，当在斑马鱼中通过遗传手段影响视黄酸信号途径、降低心肌细胞增殖的情况下会诱导klf1的表达，并且klf1的表达会在斑马鱼损伤后的7天达到表达的峰值。该结果引起了作者们的兴趣，说明在心肌再生过程中出现了klf1的表达。

为了对Klf1在心脏再生过程中的功能进行研究，作者们构建了一个条件基因陷阱品系称为klf1-mKD，在心肌细胞特异性敲低klf1后发现该品系中斑马鱼的心室的确表现出瘢痕伴随的增殖能力受损（图1），另外通过细胞标记物的免疫荧光染色作者们进一步确认了klf1-mKD品系增殖过程中的心肌细胞数量显著降低。

图1 条件性敲低klf1会造成斑马鱼心室瘢痕伴随的增殖能力受损

为了进一步探究增加klf1表达是否足以诱导斑马鱼中未发生损伤心脏中再生表型的出现，作者们构建了在心肌细胞中条件性过表达的Klf1品系。在斑马鱼中诱导Klf1过表达后，作者们发现斑马鱼心脏中与心肌细胞相关的细胞标记物的表达出现了显著地升高，另外处于增殖过程中的心肌细胞的数量也发生了显著地升高。通过细胞遗传谱系分析作者们发现诱导产生的心肌细胞的确来源于心肌谱系。该结果说明，Klf1的确具有调节心肌去分化以及增殖再生的能力。除此之外，作者们对KLF家族其他的因子在心肌再生过程中功能进行检测，发现KLF2以及KLF4【3】有丝分裂原活性远低于Klf1，该结果说明Klf1在心肌细胞再生过程中具有功能特异性。

虽然在klf1-ON的斑马鱼中细胞增殖能力提高，但是与伸缩性相关的结构会减少，导致klf1-ON的斑马鱼出现心脏衰竭的症状，最终导致存活率下降。为了避免引发病理性特征的发生并对Klf1的功能进行研究，作者们构建了一个能够进行时间控制的雌激素受体调节的klf1-REG品系。作者们发现在该品系中诱导Klf1的表达能够出现心肌细胞增殖的表型，心室的体积显著增大，但是不会引发任何病理性的现象（图2）。

进一步地，为了对Klf1诱导心肌再生的具体机制进行解析，作者们对分别对Klf1开启和关闭的斑马鱼中进行了活性染色质标记物H3K27ac的ATAC-seq（Assay for transposase-accessible chromatin sequencing）和ChIP-seq。通过ATAC-seq的结果，作者们发现Klf1开启的斑马鱼品系中H3K27ac结合变少、基因转录水平降低，主要下调的是一些与肌肉收缩相关的基因。而在ChIP-seq结果中，作者们发现Klf1结合的峰值主要出现在活跃的增强子区域，结合的主要是与心肌发育相关的基因。因此，该结果说明Klf1通过与成体心脏发育激活心肌增强因子来调控心肌基因网络。

另外，Klf1开启的品系中会表现出线粒体嵴减少、基质增多的表型，下调调控线粒体生物发生、维持和功能的相关基因。从氧化磷酸化转到有氧糖酵解，该现象被称为Warburg效应，该现象通常出现在肿瘤细胞之中。最近的研究表明Warburg效应可以用于支持心肌形态建成以及再生过程【4】。但是作者们发现Klf1开启的品系中糖酵解相关基因下调，这与先前的研究并不一致。相反，作者们发现戊糖磷酸途径和丝氨酸合成途径出现了明显地上调。该结果说明，Klf1通过糖酵解分流重新连接细胞呼吸作用，为心肌细胞增殖的强力诱导提供代谢支持。

图3 工作模型

总的来说，该工作发现Klf1作为转录因子可以促进成体斑马鱼心脏中心肌细胞的更新（图3）。Klf1依赖的心肌细胞再生机制将为心脏中心肌发生的研究提供新的参考。另外，Klf1作为一种有效的心肌源性调节因子，可能为更好地修复再生不良的人类心脏提供可能的治疗策略。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abe2762