研究背景:心血管疾病严重威胁人类健康,先天性心脏病作为心血管疾病的一部分,在我国其发病率在新生儿中高达1%。心脏关键基因的突变与先天性心脏病的发生有着密切的关系。诱导多潜能干细胞（induced pluripotent stem cell,iPSC）来源于成体细胞的重编程,与成体细胞具有相同的遗传物质,并且与胚胎干细胞（embryonic stem cell,ESC）特性类似,具有自我更新和分化包括心肌细胞在内三胚层细胞的能力。因此,利用iPSC可以建立病人特异的心脏疾病模型,针对病人的心肌病理机制开发药物,可实现精准医疗。GATA4作为心脏发育过程中的核心转录因子,参与心脏发育过程中的心肌细胞分化和增殖等重要过程。研究方法:本研究建立了携带GATA4 T280M突变的先天性心脏病患者特异的iPSC疾病模型,并通过基因编辑技术建立了 GATA4T280M杂合突变的ESC细胞模型。利用心肌细胞定向分化获得心肌细胞,分析了GATA4T280M突变蛋白质对心肌细胞增殖的影响。结合基因组学和转录组学的分析方法,开展了致病机制的相关研究。研究结果:病人特异携带GATA4T280M突变的iPSC（iPSC-GATA4T280M）和野生型iPSC均具有自我更新和三胚层分化潜能。通过心肌细胞的定向分化发现,iPSC-GATA4T280M分化的心肌细胞增殖能力明显降低,基因编辑引入GATA4T280M突变的ESC（ESC-GATA4T280M,H7G4）分化的心肌细胞也出现相同表型。通过细胞免疫荧光以及蛋白核质分离实验,发现GATA4T280M蛋白质和野生型GATA蛋白质都定位在细胞核里;通过荧光素酶分析发现,GATA4T280M蛋白对下游靶基因的转录活性明显降低;通过对所分化的心肌细胞进行ChIP-Seq和RNA-Seq的高通量分析表明,GATA4T280M结合DNA的能力明显下降,并且在结合的DNA序列的偏好性上出现了明显的偏移;从转录组水平上来看,GATA4T280M心肌细胞中与增殖相关基因表达显著下调。通过联合比较分析iPSC-GATA4T280M和野生型iPSC分化心肌细胞的ChIP-Seq和RNA-Seq结果发现,与细胞增殖相关的差异基因仅有4个（JUN、FGF16、HMOX1和FLT4）,其中,FGF16与心脏发育相关并且在GATA4T280M心肌细胞中表达明显下调。为了验证FGF16基因是否为GATA4的靶基因,在GATA4T280M心肌细胞中过表达FGF16基因能够挽救心肌细胞的增殖效率。通过ChIP-PCR和启动子荧光素酶分析发现,野生型GATA4能够直接结合到FGF16基因的启动子上,对其进行正向调控,而GATA4T280M蛋白的结合能力变弱。结论:通过构建病人特异的iPSC模型和基因编辑的ESC模型,我们发现GATA4的突变（T280M）并不会影响多能干细胞的干性和分化能力,但GATA4 T280M心肌细胞的增殖能力显著降低。在调控机制方面,GATA4T280M蛋白转录活性明显降低,且直接影响FGF16基因的表达,从而导致心肌细胞增殖减慢;而在GATA4T280M心肌细胞中过表达FGF16能够挽救心肌细胞增殖。本研究首次从人的心肌细胞中明确了GATA4T280M的突变与先天性心脏病的直接关系,为先天性心脏病产前筛查提供了重要靶点,同时为GATA4T280M突变先天性心脏病的治疗提供了药物筛选模型。