扩张性心肌病（dilated cardiomyopathy, DCM），简称扩心病，是最常见心肌病类型之一。扩心病在临床上表现为心脏功能减弱，心肌无力，心腔扩大，不能充分泵血，因此也是导致心衰和心脏猝死的重要原因之一。现代医学研究表明，大约30-40%的扩心病是由常染色体基因突变导致的。其中，5-10%的扩心病病例可能与基因LMNA突变有关。相较于其它家族性扩心病，与LMNA突变相关的扩心病主要具有如下特点：
1．病人发病较早，主要发生于30-40岁阶段，并且发病率与患者的年龄正相关；2．临床表征为频发心脏收缩功能不全，常由于室性心动过速和房颤而导致严重的心律失常，因此有导致心脏猝死的风险；3．LMNA基因编码的laminA/C蛋白是细胞核膜的主要组成成分，但其与心肌细胞的收缩功能和节律并不直接相关。因此相较于其它基因突变导致的扩心病，LMNA突变引起的扩心病的致病机理至今尚未被阐释清楚。
7月17日，Stanford心血管研究所（Stanford Cardiovascular Institute）所长Joseph Wu研究团队在Nature杂志上发表了题为Activation of PDGF pathway links LMNA mutation to dilated cardiomyopathy的研究长文，利用特异性诱导性多能干细胞衍生的心肌细胞和多种先进的分子生物学技术阐述了LMNA突变导致的扩心病的分子生物学机制，并为该疾病今后开发治疗方案提供了潜在的药物靶点。
Joseph Wu教授课题组长期致力于应用诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（induced pluripotent stem cells derived cardiomyocytes, iPSC-CM）建立心血管疾病模型，探索致病机理，并寻找新药物靶点和治疗方法。为了研究LMNA突变导致扩心病的致病机理，该研究团队招募了一个带有LMNA基因提前终止突变（348–349insG; K117fs）扩心病家族，并通过分离所有病人的外周血单核细胞（PBMC）和细胞重编程（reprograming）方法建立了四株诱导多能干细胞系。为了排除不同遗传背景的LMNA突变致病机理的干扰，研究者还利用基因编辑技术构建了相应的同基因型对照细胞系：包括向正常诱导多能干细胞中引入K117fs突变，以及修正病人多能干细胞中的突变。随后通过标准分化程序，研究者得到了正常和携带LMNA突变的iPSC-CM。
通过膜片钳，该研究团队发现LMNA突变可导致iPSC-CM在单细胞水平上表现出明显的钙稳态失衡，这与LMNA突变扩心病病人患有严重心律不齐的临床表型高度吻合。接着，研究者应用比率钙成像技术检测iPSC-CM中自发钙瞬变发现，扩心病病人的iPSC-CM中有约60%的细胞出现了钙瞬变异常，而这一变化在正常的iPSC-CM中并没有监测到。相应的，经基因编辑方法引入LMNA K117fs突变的正常iPSC-CM中，约有25%的细胞也出现异常钙活动。
该研究进一步发现，与这些异常钙信号相应的是K117fs iPSC-CM中与钙信号调控的关键蛋白如II型蓝尼丁受体（Ryanodine receptor, RyR2）和D型钙调磷酸酶II（CAMK2D）的磷酸化水平都显著提高，而CAMK2D特异性的阻断剂KN93则可以部分改善LMNA突变心肌细胞的钙调控和节律。这些结果提示了此LMNA突变可能会通过上调CAMK2D的活性导致心肌细胞中关键钙调控分子的过磷酸化和钙稳态异常，从而进一步引起膜电位异常及心律失常。同时该研究还发现，使用基因编辑沉默正常iPSC-CM的单个LMNA等位基因可以导致类似LMNA K117fs突变的心肌细胞表型。这一结果证实了LMNA K117fs的致病机理在于单倍剂量不足（Haploinsufficiency）。
由于LaminA/C在核膜处与异染色质存在丰富的基因区域互作，研究者进一步提出假设，Lamin的单倍剂量不足可能会破坏染色质结构，从而导致K117fs iPSC-CM中的基因表达发生异常。为了验证这一假设，研究者系统地应用了转录组测序（RNAseq）、转座酶可接近性核染色质测序（ATAC-seq）和染色体免疫共沉淀测序（ChIP-seq）技术对LMNA突变组和对照组的iPSC-CM及其同基因型对照组细胞在转录组和表观遗传学水平进行了系统性分析。ATAC-seq结果表明，LMNA突变可导致LAD（Lamina Associated Domains）区域外的一些基因的表达发生上调，比如血小板来源生长因子PDGF（platelet-derived growth factor）。在正常情况下，PDGF信号与应激反应有关，因此在平滑肌细胞和内皮细胞中比较活跃，而在成熟心肌细胞中则表达水平很低。然而，PDGF基因在K117fs iPSC-CM中有显著的上调。研究者通过小干扰RNA（siRNA）或PDGF特异阻断剂等手段下调PDGF水平发现，不仅CAMK2D和RyR2的磷酸化水平随之抑制而降低了，K117fs iPSC-CM的心律失常表型也得到了恢复。反之，过表达PDGF则起到完全相反的作用。因此， PDGF信号的异常激活可能是促进LMNA突变导致的心率不齐和扩心病的关键分子节点
此项研究利用诱导多能干细胞衍生的心肌细胞证实了LMNA基因突变通过单倍剂量不足引发家族性扩心病，并系统应用了高通量测序，电生理记录，钙成像等方法证实了其中的分子机制。即LMNA通过调节不同区域染色体的构型和开放性改变基因的表观遗传学修饰和表达水平，其中PDGF的上调是LMNA k117fs引发的关键分子事件。PDGF上调能够激活CAMK2D，并引起下游一系列钙调控相关蛋白的过磷酸化和异常激活，最终导致心肌细胞中钙调控失常，电生理紊乱和心律失常。此研究第一次系统的解释了从单个LMNA突变到最终扩心病症状之间的完整分子机制。更重要的是，抑制PDGF受体-β（PDGFRB）活性为治疗LMNA突变诱导扩心病的治疗提供了新的药物靶点和治疗策略。
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