Nature | 抑制脂肪酸氧化促进心脏再生_美必思医学编译

Nature | 抑制脂肪酸氧化促进心脏再生

时间 : 2023-10-14

心肌细胞在出生后的成熟过程中，其能量代谢从糖酵解转变为脂肪酸氧化，伴随着染色质的重新配置和退出细胞周期，这为成人心脏再生设置了障碍。随着心肌细胞的成熟，其代谢活跃性导致的氧化性DNA损伤形成了阻止心肌细胞细胞分裂的自然屏障。

为了探索代谢重编程是否可以突破这一障碍并实现心脏再生，研究者们通过失活Cpt1b来中止心肌细胞中的脂肪酸氧化。结果发现，心肌细胞中脂肪酸氧化的失能可以提高对缺氧的抵抗力，并刺激心肌细胞的增殖，从而在缺血-再灌注损伤后实现心脏再生。进一步的代谢研究揭示了Cpt1b突变心肌细胞中能量代谢的深刻变化，以及α-酮戊二酸（αKG）的积累，这导致了α-酮戊二酸依赖的赖氨酸去甲基酶KDM5的激活。激活的KDM5去甲基化了驱动心肌细胞成熟的基因中的广泛H3K4me3结构域，降低了它们的转录水平，使心肌细胞转变为较不成熟的状态，从而促进增殖。

研究亮点

代谢转变的影响：心肌细胞在出生后的代谢从糖酵解转向脂肪酸氧化，这一转变与心肌细胞的成熟和细胞周期退出紧密相关，为成人心脏再生设置了障碍。
脂肪酸氧化的中止：通过失活Cpt1b来中止心肌细胞中的脂肪酸氧化，这种代谢重编程策略可以提高心肌细胞对缺氧的抵抗力。
心脏再生的可能：失活Cpt1b不仅增强了心肌细胞对缺氧的抵抗，还刺激了心肌细胞的增殖，使心脏在缺血-再灌注损伤后得以再生。
α-酮戊二酸的关键作用：在Cpt1b突变心肌细胞中，α-酮戊二酸的积累导致了α-酮戊二酸依赖的赖氨酸去甲基酶KDM5的激活，进而影响了心肌细胞的表观遗传状态和增殖能力。
表观遗传与代谢的联系：这项研究揭示了心肌细胞的代谢成熟如何塑造其表观遗传景观，从而为进一步的细胞分裂创造了障碍。这为心脏再生提供了新的策略。

结论与意义

这项研究表明，代谢成熟塑造了心肌细胞的表观遗传景观，为进一步的细胞分裂创造了障碍。逆转这一过程可以修复受损的心脏。此外，αKG在染色质重新配置中的作用尚不清楚，但这项研究为其在促进心脏再生中的潜在作用提供了新的视角。这一发现不仅为我们提供了心脏再生的新策略，还为心脏疾病的治疗提供了新的思路和目标。在未来，如何利用这一新发现来设计新的治疗策略，将是一个值得进一步探讨的问题。

▉结果：

1.Cpt1b缺陷诱导心脏增生

RNA测序分析发现，新生小鼠出生后第一周心肌细胞（CM）的某些基因表达发生变化，与糖酵解相关的基因下降，而与脂肪酸氧化（FAO）相关的基因上升。为了研究FAO在CM成熟中的作用，研究者使用etomoxir处理小鼠CM，结果显示增加了CM的增殖。另外，通过特定的基因操作，研究者发现失活Cpt1b基因可以刺激CM的增殖。详细的形态测量还显示，Cpt1b失活后，小CM数量增加，而大CM数量也有所上升，表明心脏的增大主要是由于细胞数量的增加，而不仅仅是细胞大小的增加。

2.Cpt1b缺陷诱导心脏增生

tamoxifen（TAM）诱导的小鼠模型Cpt1biKO，Cpt1biKO小鼠的心重和心/体重比在TAM注射后4和8周显著增加。此外，Cpt1biKO小鼠的心脏显示出明显的心脏肥大和CM表面积的增加，但没有观察到纤维化或心脏功能受损。RNA测序分析显示，有1,513和1,432个基因的表达发生了显著变化。这些变化的基因主要与脂肪酸和脂质代谢过程、细胞周期进程、成熟和收缩有关。此外，电子显微镜分析和sarcomere密度的免疫荧光染色定量分析进一步证实了Cpt1b缺失CM的不成熟状态。研究者观察到抗凋亡的HIF1A信号通路的激活，这由Hif1α和其靶基因Bcl2的表达水平增加所示。与此同时，HIF1A的抑制因子Egln3的表达下调。研究者还发现，与对照心脏相比，Cpt1b缺失心脏中的γH2A.X+心脏细胞核的百分比显著下降，这表明抑制FAO可以减少DNA损伤或刺激DNA修复。

总的来说，抑制FAO启动了一系列事件，将成年CM转化为更不成熟的状态，从而使CM增殖，并在较小程度上促进肥大。

3.阻断FAO促进心脏再生

对Cpt1bcKO和Cpt1biKO小鼠进行了缺血-再灌注（I-R）损伤实验，3周后Cpt1bcKO和Cpt1biKO小鼠的I-R诱导的瘢痕几乎消失。这种几乎完全的瘢痕形成预防伴随着大量小的、圆形的Ki67+和aurora B+ CMs的出现，特别是在Cpt1b缺失心脏的边界区域。研究者在I-R损伤后24小时内在两种突变心脏中检测到了减少的梗死区域，并在I-R损伤后48小时内在Cpt1bcKO小鼠中检测到了更好的心脏收缩，这表明抑制FAO也可以对I-R损伤提供保护。

与这些发现一致，与对照CM相比，Cpt1b缺失CM的细胞死亡率显著降低。为了确定CM增殖对I-R损伤后心脏再生的贡献，并排除增强保护作为瘢痕形成缺失的主要原因，研究者在应用I-R损伤后1天开始删除Cpt1b。Cpt1biKO动物的纤维化瘢痕区域显著减少。观察到I-R手术后4周的心脏功能大大恢复，几乎达到了受伤前的同一水平，这明确地表明Cpt1b失活促进了心脏再生。得出结论增强的CM增殖和心脏保护都有助于在FAO缺乏的小鼠中冠状动脉闭塞后减少瘢痕形成。

3.Cpt1b 缺失会增加 CM 中的αKG 水平

研究者探讨了阻断FAO如何重新规划心肌细胞（CMs）的新陈代谢。结果显示，Cpt1bcKO CMs中长链脂肪酸的利用受到了抑制，而中链或短链脂肪酸的代偿性利用并不明显。尽管FAO受到抑制，但CMs中的乙酰-CoA和大多数克雷布斯循环代谢产物的水平并没有显著变化，这意味着CMs采用了不同的能量生产方式。研究者推测，增加的葡萄糖氧化可能在一定程度上补偿了Cpt1b缺失CMs中的FAO损失。此外，氨基酸可能是Cpt1b-depleted CMs的另一个能量来源，因为研究者检测到了与氨基酸代谢有关的代谢物的主要富集。值得注意的是，研究者在Cpt1b失活后的CMs中检测到了αKG的显著增加，几乎增加了20倍。此外，与对照CMs相比，Cpt1b-deficient CMs中的OGDH酶活性减少，尽管OGDH复合物组分的蛋白质浓度增加。总的来说，增加的合成和减少的代谢作用协同导致了FAO中止后CMs中αKG的积累。

4.CM 特性基因中的 H3K4me3 减少

αKG是组蛋白去甲基酶的关键辅助因子。因此，研究者想知道Cpt1b缺失CMs中αKG的积累是否会影响组蛋白甲基化。通过使用荧光激活细胞分选（FACS）排序的心脏细胞核进行不同的组蛋白赖氨酸甲基化修饰分析，只发现H3K4me3的水平降低，而其他11种组蛋白赖氨酸甲基化修饰的水平没有降低。相反，异染色质标记物如H3K9me3、H3K27me3和H4K20me2的水平在失活Cpt1b后显著增加，这可能是由于CMs转变为更不成熟状态的次要效应所致。与此一致，H3K4me3水平在αKG水平增加的Ogdh缺失CMs中也降低。决定H3K4me3水平的酶的表达水平，包括甲基转移酶（例如Kmt2家族、Ash1l、Prdm9和Smyd家族）和αKG依赖的H3K4me3去甲基酶（例如Kdm5a-d、Kdm2b和Riox1），在失活Cpt1b后没有改变。我们也没有检测到组蛋白甲基化的甲基供体S-腺苷基甲硫氨酸的细胞内水平的变化。因此，我们得出结论，αKG增强了H3K4me3特异性去甲基酶的活性，最终导致H3K4me3水平的降低。

5.活化的 KDM5 可刺激增殖

为了证实αKG的积累是防止心肌细胞（CM）成熟和促进增殖的关键信号，研究者对新生的P0-1心肌细胞进行了4天的αKG处理。结果显示，Ki67+cTnT+和pH3(Ser10)+cTnT+ CMs显著增加，与RNA-seq数据一致，这些数据显示αKG处理细胞中与细胞分裂相关的GO术语得到了富集。此外，αKG处理还降低了H3K4me3，但不影响H3K9和H4K20的甲基化。与此一致，CM中增加αKG水平的酶的过表达，如Idh3b和Idh3g编码的酶，刺激了CM增殖，显著降低了H3K4me3沉积，并降低了心脏成熟相关基因的mRNA水平。通过使用KDM5抑制剂CPI-455药物抑制αKG依赖的效应，研究者推测αKG对染色质和基因表达的效应是通过Kdm5基因家族的成员传递的。这一假设得到了通过过表达Kdm5b的证实，这显著降低了H3K4me3水平，并在与αKG处理结合时显著增加了CM细胞周期活性。总的来说，由于Cpt1b失活导致的αKG积累激活了KDM5，这降低了需要CM成熟的基因中的广泛H3K4me3峰值，从而使CM回归到更不成熟的状态，并启动CM细胞周期活性。