项目文章Cell Reports (IF 9.995) | 中山大学蔡卫斌教授团队揭示适度降低心率促进心肌再生机制
2022-12-01
中科新生命
2917
作为一个生物泵，心脏需要消耗大量的能量来维持持续的跳动。心肌能量代谢最近被报道与心肌细胞增殖能力的丧失有关。然而，细胞搏动速率与细胞增殖之间的内在关系以及能量代谢是否能调节这一关系尚不清楚。
2022年3月，来自广州中山医学院蔡卫斌教授团队在 Cell Reports （IF 9.995）上发表题为“Moderate heart rate reduction promotes cardiac regeneration through stimulation of the metabolic pattern switch”的研究文章。该研究整合非靶向代谢组、代谢流、转录组技术探讨降低心率促进心肌损伤后心脏再生修复的分子机制。该研究发现，适度心率降低可增加糖酵解酶在心肌细胞的表达，激活葡萄糖代谢，通过糖酵解途径增加ATP产生的相对比例，合成增殖型心肌细胞所需的底物，诱导心肌细胞增殖，促进心肌损伤后的再生修复。中科新生命为其提供了非靶代谢组学技术服务。
研究材料
小鼠心肌细胞（NMCMs），人多能干细胞分化的心肌细胞（hPSC-CMs），心脏组织
技术路线
步骤1：适度心率降低促进心肌细胞增殖
步骤2：适度心率降低促进心肌损伤后心脏再生；
步骤3：适度心率降低诱导心肌细胞重新进入细胞周期；
步骤4：适度心率降低刺激心肌细胞的代谢模式转换；
步骤5：转录组学分析：适度心率降低促进糖酵解酶的表达，刺激心肌细胞进入细胞周期；
步骤6：代谢组学分析：适度心率降低激活心肌细胞的生物合成代谢。
研究结果
1. 适度心率降低促进心肌细胞增殖
研究人员分别对12周成年小鼠进行抗心律失常药物和异丙肾上腺素处理4周，发现所有抗心律失常药物都能使成年小鼠的心率持续降低约10%-20%，而异丙肾上腺素则有相反的效果（图1J）。小鼠心脏组织中，抗心律失常药物处理增加增殖型心肌细胞比例（图1L），异丙肾上腺素处理增加总增殖细胞的比例，但未增加增殖型心肌细胞比例（图1M）。综上可知，适度心率降低会促进心肌细胞增殖。
图1 适度心率降低促进心肌细胞增殖
2. 适度心率降低促进心脏损伤后心肌再生
为了验证适度心率降低对心脏修复和再生的影响，研究人员分别对经过心尖切除术的新生鼠（图2A）和心肌梗死的成年小鼠（图2E）进行抗心律失常药物处理，发现处理后心率降低（图2B和2G），增殖型心肌细胞比例升高（图2C,2D,2H和2F）。总的来说，适度心率降低可以促进新生和成年小鼠的心脏再生。
图2 适度心率降低促进心肌损伤后心脏再生
3. 适度心率降低诱导心肌细胞重新进入细胞周期
为了深入了解适度心率降低调节心肌细胞增殖的机制，对心肌细胞的细胞周期进程进行了分析。流式细胞术结果表明，适度心率降低可降低G1期心肌细胞的比例，增加S期心肌细胞的比例，说明适度心率降低诱导心肌细胞 G1/S期转变（图3A）。qPCR和WB结果表明，适度心率降低可上调心肌细胞中细胞周期蛋白(cyclin D1, E2，A2和B2)和周期蛋白依赖性激酶(CDK1, 2, 4和6) 的表达（图3B-3D）。细胞周期基因cyclin D-CDK4/6和cyclin E-CDK2的激活对细胞周期进入、G1/S过渡和DNA复制至关重要。提示适度心率降低通过上调细胞周期基因的表达，从而触发心肌细胞重新进入细胞周期。
图3 适度心率降低诱导心肌细胞重新进入细胞周期
4. 适度心率降低刺激心肌细胞的代谢模式转换
能量产生是维持心肌细胞持续增殖的必要条件，作者进一步探讨了适度心率降低后心肌细胞的能量需求变化。发现适度心率降低后，NMCMs 中AMP/ATP的比值降低（图4A）。为了进一步揭示适度心率降低作用下心肌细胞的代谢表型，作者用Etomoxir、UK-5099和BPTEs分别抑制长链脂肪酸(LCFAs)、葡萄糖和谷氨酰胺的摄入，以此来判断NMCMs对不同底物进行氧化磷酸化的需求，结果显示原代心肌细胞仍主要依赖葡萄糖进行氧化磷酸化，而降低心率后其对葡萄糖的氧化依赖进一步增加（图4B-4F）。综上：适度心率降低使心肌细胞发生能量代谢重编程即能量代谢需求降低，而糖酵解是适度心率降低促进心肌细胞增殖的必要步骤。
图4 适度心率降低刺激心肌细胞的代谢模式转换
5. 转录组学分析：适度心率降低促进糖酵解酶的表达，刺激心肌细胞进入细胞周期
为了确定适度心率降低诱导心肌细胞增殖机制，研究人员用抗心律失常药物处理7日龄小鼠，取心脏组织做转录组分析。结果表明，通过药物适度降低心率后，心肌细胞上调表达基因普遍与增殖和代谢调节有关，包括细胞周期过程、心脏代谢过程和核苷三磷酸代谢过程（图5C），其中葡萄糖代谢基因表达上调（图5D）。WB检测发现几个关键糖酵解酶上调，其中包含PKM2 (图5E和5F)，它是参与糖酵解的关键酶，已被报道可通过核易位激活细胞周期蛋白cyclin D1的转录。综上所述，适度心率降低可以激活糖酵解酶的表达，尤其是PKM2的表达，从而刺激心肌细胞细胞周期再进入。
图5 RNA-seq功能富集结果和几个关键的糖酵解酶WB结果展示
6. 代谢组学分析：适度心率降低激活心肌细胞的生物合成代谢
根据转录组学结果，适度心率降低组还富集了多种可能在调控心肌细胞增殖中发挥重要作用的代谢途径。使用[U-13C6]葡萄糖和[U-13C16]棕榈酸酯示踪剂来研究适度心率降低对心肌细胞代谢通量的影响。发现，在适度心率降低处理的NMCMs中，葡萄糖的摄入量以及对三羧酸(TCA)中间体和其他单糖的利用均显著增加(图6A-6C)。此外，适度心率降低增加了NADPH的产生，降低了NMCMs中NADP+/NADPH的比值(图6D)。这些结果表明，适度心率降低提高了葡萄糖通过TCA循环、磷酸戊糖途径(PPP)和其他生物合成途径的通量。代谢组学分析进一步证实了这一结果，发现参与生物合成代谢的代谢物丰度显著增加(图6E-6G)，其中差异表达最多代谢物在核苷酸糖生物合成中富集(图6H)。
图6 [U-13C6]葡萄糖 and [U-13C16] 棕榈酸酯示踪剂来研究适度心率降低对心肌细胞代谢通量的影响
图7 非靶代谢展示适度心率降低使得参与核苷酸糖生物合成的代谢物丰度增加
小编小结
心脏损伤后大量心肌细胞丢失和随后的纤维化导致心力衰竭和突发心脏病死亡。本研究整合转录组，代谢流以及非靶代谢组学技术探讨降低心率促进心机损伤后心脏再生修复的分子机制。通过多组学研究发现，适度心率降低可通过糖代谢酶发挥非酶活性促进诱导心肌细胞细胞周期重新进入，启动细胞周期蛋白转录，同时还激活代谢功能，为增殖细胞提供能量。本研究发现适度心率降低是一种体外和体内诱导心肌细胞增殖的方法，这为心脏疾病的临床治疗提供了新的思路。
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