Abstract Cardiovascular disease is the leading cause of death worldwide. Advanced insights into disease mechanisms and therapeutic strategies require a deeper understanding of the molecular processes involved in the healthy heart. Knowledge of the full repertoire of cardiac cells and their gene expression profiles is a fundamental first step in this endeavour. Here, using state-of-the-art analyses of large-scale single-cell and single-nucleus transcriptomes, we characterize six anatomical adult heart regions. Our results highlight the cellular heterogeneity of cardiomyocytes, pericytes and fibroblasts, and reveal distinct atrial and ventricular subsets of cells with diverse developmental origins and specialized properties. We define the complexity of the cardiac vasculature and its changes along the arterio-venous axis. In the immune compartment, we identify cardiac-resident macrophages with inflammatory and protective transcriptional signatures. Furthermore, analyses of cell-to-cell interactions highlight different networks of macrophages, fibroblasts and cardiomyocytes between atria and ventricles that are distinct from those of skeletal muscle. Our human cardiac cell atlas improves our understanding of the human heart and provides a valuable reference for future studies.

Exome sequencing of patients with congenital heart disease (CHD) and their unaffected parents reveals an excess of strong-effect, protein-altering de novo mutations in genes expressed in the developing heart, many of which regulate chromatin modification in key developmental genes; collectively, these mutations are predicted to account for approximately 10% of severe CHD cases. This paper demonstrates that de novo mutations with large effect have a role in the pathogenesis of at least 10% of cases of congenital heart disease (CHD). Using exome sequence analysis in parent–offspring trios Richard Lifton and colleagues compared the frequency of de novo mutations, identified by exome sequencing, in 362 CHD parent–offspring trios and 264 control trios. Gene ontology analysis demonstrated significant enrichment of de novo protein-altering mutation of genes involved in chromatin modification, notably a marked enrichment of genes involved in the production, removal and reading of methylation of histone H3K4 and H3K27. Congenital heart disease (CHD) is the most frequent birth defect, affecting 0.8% of live births1. Many cases occur sporadically and impair reproductive fitness, suggesting a role for de novo mutations. Here we compare the incidence of de novo mutations in 362 severe CHD cases and 264 controls by analysing exome sequencing of parent–offspring trios. CHD cases show a significant excess of protein-altering de novo mutations in genes expressed in the developing heart, with an odds ratio of 7.5 for damaging (premature termination, frameshift, splice site) mutations. Similar odds ratios are seen across the main classes of severe CHD. We find a marked excess of de novo mutations in genes involved in the production, removal or reading of histone 3 lysine 4 (H3K4) methylation, or ubiquitination of H2BK120, which is required for H3K4 methylation2,3,4. There are also two de novo mutations in SMAD2, which regulates H3K27 methylation in the embryonic left–right organizer5. The combination of both activating (H3K4 methylation) and inactivating (H3K27 methylation) chromatin marks characterizes ‘poised’ promoters and enhancers, which regulate expression of key developmental genes6. These findings implicate de novo point mutations in several hundreds of genes that collectively contribute to approximately 10% of severe CHD.

Organ-specific functions of tissue-resident macrophages in the steady-state heart are unknown. Here, we show that cardiac macrophages facilitate electrical conduction through the distal atrioventricular node, where conducting cells densely intersperse with elongated macrophages expressing connexin 43. When coupled to spontaneously beating cardiomyocytes via connexin-43-containing gap junctions, cardiac macrophages have a negative resting membrane potential and depolarize in synchrony with cardiomyocytes. Conversely, macrophages render the resting membrane potential of cardiomyocytes more positive and, according to computational modeling, accelerate their repolarization. Photostimulation of channelrhodopsin-2-expressing macrophages improves atrioventricular conduction, whereas conditional deletion of connexin 43 in macrophages and congenital lack of macrophages delay atrioventricular conduction. In the Cd11bDTR mouse, macrophage ablation induces progressive atrioventricular block. These observations implicate macrophages in normal and aberrant cardiac conduction.

Putting both heart and brain at risk For reasons that are unclear, newborns with congenital heart disease (CHD) have a high risk of neurodevelopmental disabilities. Homsy et al. performed exome sequence analysis of 1200 CHD patients and their parents to identify spontaneously arising (de novo) mutations. Patients with both CHD and neurodevelopmental disorders had a much higher burden of damaging de novo mutations, particularly in genes with likely roles in both heart and brain development. Thus, clinical genotyping of patients with CHD may help to identify those at greatest risk of neurodevelopmental disabilities, allowing surveillance and early intervention. Science , this issue p. 1262

Powering down yields a healthier heart In hypertrophic cardiomyopathy (HCM), the heart muscle enlarges and becomes progressively less efficient at pumping blood. HCM can be caused by mutations in components of the sarcomere (the heart's contractile unit), most notably myosin. Hypercontractility is among the earliest heart disturbances seen in mice carrying these myosin mutations, implying that the mutations inflict their damage by increasing myosin's power production. Green et al. identified a small molecule that binds to myosin and inhibits its activity (see the Perspective by Warshaw). When orally administered to young mice, the molecule prevented the development of several hallmark features of HCM without adversely affecting skeletal muscle. Science , this issue p. 617 ; see also p. 556

Fibroblast-specific Il-11 expression causes heart and kidney fibrosis and organ failure, whereas IL-11 inhibition prevents fibroblast activation and organ fibrosis, indicating that IL-11 inhibition is a potential therapeutic strategy to treat fibrotic diseases. Fibrosis—the overproduction of fibrous connective tissue—is a feature of many diseases and can contribute to pathology by causing scarring, thickening of tissue and interference with normal organ function. In the heart, fibrosis can cause mechanical and electrical dysfunction. Stuart Cook and colleagues identify a protein that has a crucial role in cardiac fibrosis: the cytokine IL-11. They find that, in primary human cardiac fibroblasts, transcription of IL-11 is a dominant response to transforming growth factor beta (TGFβ) exposure and that it is required for the pro-fibrotic effect of TGFβ. Loss of IL-11 reduced fibrosis in three preclinical models of cardiovascular fibrosis, leading the authors to propose IL-11 as a therapeutic target. Fibrosis is a common pathology in cardiovascular disease1. In the heart, fibrosis causes mechanical and electrical dysfunction1,2 and in the kidney, it predicts the onset of renal failure3. Transforming growth factor β1 (TGFβ1) is the principal pro-fibrotic factor4,5, but its inhibition is associated with side effects due to its pleiotropic roles6,7. We hypothesized that downstream effectors of TGFβ1 in fibroblasts could be attractive therapeutic targets and lack upstream toxicity. Here we show, using integrated imaging–genomics analyses of primary human fibroblasts, that upregulation of interleukin-11 (IL-11) is the dominant transcriptional response to TGFβ1 exposure and required for its pro-fibrotic effect. IL-11 and its receptor (IL11RA) are expressed specifically in fibroblasts, in which they drive non-canonical, ERK-dependent autocrine signalling that is required for fibrogenic protein synthesis. In mice, fibroblast-specific Il11 transgene expression or Il-11 injection causes heart and kidney fibrosis and organ failure, whereas genetic deletion of Il11ra1 protects against disease. Therefore, inhibition of IL-11 prevents fibroblast activation across organs and species in response to a range of important pro-fibrotic stimuli. These results reveal a central role of IL-11 in fibrosis and we propose that inhibition of IL-11 is a potential therapeutic strategy to treat fibrotic diseases.

Mutations in sarcomere protein genes can cause hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a disorder characterized by myocyte enlargement, fibrosis, and impaired ventricular relaxation. Here, we demonstrate that sarcomere protein gene mutations activate proliferative and profibrotic signals in non-myocyte cells to produce pathologic remodeling in HCM. Gene expression analyses of non-myocyte cells isolated from HCM mouse hearts showed increased levels of RNAs encoding cell-cycle proteins, Tgf-β, periostin, and other profibrotic proteins. Markedly increased BrdU labeling, Ki67 antigen expression, and periostin immunohistochemistry in the fibrotic regions of HCM hearts confirmed the transcriptional profiling data. Genetic ablation of periostin in HCM mice reduced but did not extinguish non-myocyte proliferation and fibrosis. In contrast, administration of Tgf-β–neutralizing antibodies abrogated non-myocyte proliferation and fibrosis. Chronic administration of the angiotensin II type 1 receptor antagonist losartan to mutation-positive, hypertrophy-negative (prehypertrophic) mice prevented the emergence of hypertrophy, non-myocyte proliferation, and fibrosis. Losartan treatment did not reverse pathologic remodeling of established HCM but did reduce non-myocyte proliferation. These data define non-myocyte activation of Tgf-β signaling as a pivotal mechanism for increased fibrosis in HCM and a potentially important factor contributing to diastolic dysfunction and heart failure. Preemptive pharmacologic inhibition of Tgf-β signals warrants study in human patients with sarcomere gene mutations.

Activation of complex molecular programs in specific cell lineages governs mammalian heart development, from a primordial linear tube to a four-chamber organ. To characterize lineage-specific, spatiotemporal developmental programs, we performed single-cell RNA sequencing of >1,200 murine cells isolated at seven time points spanning embryonic day 9.5 (primordial heart tube) to postnatal day 21 (mature heart). Using unbiased transcriptional data, we classified cardiomyocytes, endothelial cells, and fibroblast-enriched cells, thus identifying markers for temporal and chamber-specific developmental programs. By harnessing these datasets, we defined developmental ages of human and mouse pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes and characterized lineage-specific maturation defects in hearts of mice with heterozygous mutations in Nkx2.5 that cause human heart malformations. This spatiotemporal transcriptome analysis of heart development reveals lineage-specific gene programs underlying normal cardiac development and congenital heart disease.

All living things experience an increase in entropy, manifested as a loss of genetic and epigenetic information. In yeast, epigenetic information is lost over time due to the relocalization of chromatin-modifying proteins to DNA breaks, causing cells to lose their identity, a hallmark of yeast aging. Using a system called "ICE" (inducible changes to the epigenome), we find that the act of faithful DNA repair advances aging at physiological, cognitive, and molecular levels, including erosion of the epigenetic landscape, cellular exdifferentiation, senescence, and advancement of the DNA methylation clock, which can be reversed by OSK-mediated rejuvenation. These data are consistent with the information theory of aging, which states that a loss of epigenetic information is a reversible cause of aging.

Summary Cardiovascular disease is the leading cause of death worldwide. Advanced insights into disease mechanisms and strategies to improve therapeutic opportunities require deeper understanding of the molecular processes of the normal heart. Knowledge of the full repertoire of cardiac cells and their gene expression profiles is a fundamental first step in this endeavor. Here, using large-scale single cell and nuclei transcriptomic profiling together with state-of-the-art analytical techniques, we characterise the adult human heart cellular landscape covering six anatomical cardiac regions (left and right atria and ventricles, apex and interventricular septum). Our results highlight the cellular heterogeneity of cardiomyocytes, pericytes and fibroblasts, revealing distinct subsets in the atria and ventricles indicative of diverse developmental origins and specialized properties. Further we define the complexity of the cardiac vascular network which includes clusters of arterial, capillary, venous, lymphatic endothelial cells and an atrial-enriched population. By comparing cardiac cells to skeletal muscle and kidney, we identify cardiac tissue resident macrophage subsets with transcriptional signatures indicative of both inflammatory and reparative phenotypes. Further, inference of cell-cell interactions highlight a macrophage-fibroblast-cardiomyocyte network that differs between atria and ventricles, and compared to skeletal muscle. We expect this reference human cardiac cell atlas to advance mechanistic studies of heart homeostasis and disease.