ABSTRACT The epicardium, a mesothelial cell tissue that encompasses vertebrate hearts, supports heart regeneration after injury through paracrine effects and as a source of multipotent progenitors. However, the progenitor state in the adult epicardium has yet to be defined. Through single-cell RNA-sequencing of isolated epicardial cells from uninjured and regenerating adult zebrafish hearts, we defined the epithelial and mesenchymal subsets of the epicardium. We further identified a transiently activated epicardial progenitor cell (aEPC) subpopulation marked by ptx3a and col12a1b expression. Upon cardiac injury, aEPCs emerge from the epithelial epicardium, migrate to enclose the wound, undergo epithelial-mesenchymal transition (EMT), and differentiate into mural cells and pdgfra + hapln1a + mesenchymal epicardial cells. These EMT and differentiation processes are regulated by the Tgfβ pathway. Conditional ablation of aEPCs blocked heart regeneration through reduced Nrg1 expression and mesenchymal cell number. Our findings identify a transient progenitor population of the adult epicardium that is indispensable for heart regeneration and highlight it as a potential target for enhancing cardiac repair.

The immune system coordinates the response to cardiac injury and is known to control regenerative and fibrotic scar outcomes in the heart and subsequent chronic low-grade inflammation associated with heart failure. Here we profiled the inflammatory response to heart injury using single cell transcriptomics to compare and contrast two experimental models with disparate outcomes. We used adult mice, which like humans lack the ability to fully recover and zebrafish which spontaneously regenerate after heart injury. The extracardiac reaction to cardiomyocyte necrosis was also interrogated to assess the specific peripheral tissue and immune cell reaction to chronic stress. Cardiac macrophages are known to play a critical role in determining tissue homeostasis by healing versus scarring. We identified distinct transcriptional clusters of monocytes/macrophages in each species and found analogous pairs in zebrafish and mice. However, the reaction to myocardial injury was largely disparate between mice and zebrafish. The dichotomous response to heart damage between the mammalian and zebrafish monocytes/macrophages may underlie the impaired regenerative process in mice, representing a future therapeutic target.

The immune system coordinates the response to cardiac injury and controls regenerative and fibrotic scar outcomes in the heart and subsequent chronic low-grade inflammation associated with heart failure. Adult mice and humans lack the ability to fully recover while adult zebrafish spontaneously regenerate after heart injury. Here we profile the inflammatory response to heart cryoinjury in zebrafish and coronary artery ligation in mouse using single cell transcriptomics. We interrogate the extracardiac reaction to cardiomyocyte necrosis to assess the specific peripheral tissue and immune cell reaction to chronic stress. Cardiac macrophages play a critical role in determining tissue homeostasis by healing versus scarring. We identify distinct transcriptional clusters of monocytes/macrophages (mono/Mϕ) in each species and find analogous pairs in zebrafish and mice. However, the reaction to myocardial injury is largely disparate between mice and zebrafish. The dichotomous response to heart damage between the murine and zebrafish mono/Mϕ and/or the presence of distinct zebrafish mono/Mϕ subtypes may underlie the impaired regenerative process in adult mammals and humans. Our study furnishes a direct cross-species comparison of immune responses between regenerative and profibrotic myocardial injury models, providing a useful resource to the fields of regenerative biology and cardiovascular research. Dynamic cross-species single cell transcriptomic analyses reveal conserved and disparate cardiac and extracardiac inflammatory responses upon heart injury between models with fibrotic and regenerative outcomes.