前言

2021年11月，美國斯坦福大學(xué)Daniel Bernstein教授課題組在Circulation期刊發(fā)表的題為 “Altered Cardiac Energetics and Mitochondrial Dysfunction in Hypertrophic Cardiomyopathy”的研究成果，通過多組學(xué)研究（代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)）方法，發(fā)現(xiàn)了肥厚型心肌病的代謝信號紊亂和線粒體功能障礙特征，探究了肥厚型心肌病的發(fā)病機(jī)理，描繪了肥厚型心肌病的病理圖譜。為確定肥厚型心肌病的病理機(jī)制及新藥物靶點(diǎn)提供了理論依據(jù)。

中文標(biāo)題：肥厚型心肌病的心臟能量改變和線粒體功能障礙研究

研究對象：人心肌組織

發(fā)表期刊：Circulation

影響因子：29.690

發(fā)表時(shí)間：2021年11月

合作單位：美國斯坦福大學(xué)

運(yùn)用生物技術(shù)：代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)

背景介紹

肥厚型心肌病(HCM)是一種復(fù)雜的疾病，部分原因是基因變異導(dǎo)致對肌節(jié)蛋白生物力學(xué)產(chǎn)生了影響。細(xì)胞水平研究，肥厚型心肌病突變的增強(qiáng)導(dǎo)致對能量的需求更高。盡管在闡明肌節(jié)結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系方面取得了重大進(jìn)展，但關(guān)于改變的心臟能量與HCM表型之間的聯(lián)系機(jī)制，仍有待了解。

本篇研究檢驗(yàn)了一種常見病理生理通路的假設(shè)—HCM心臟能量學(xué)的變化。

研究思路

研究方法

1. 實(shí)驗(yàn)分組

（1）捐獻(xiàn)組：13人（心肌組織取自心臟移植供體無心臟病史）；

（2）二尖瓣狹窄組：2人（原發(fā)性二尖瓣狹窄）；

（3）疾病組：27人（左室間隔肌切除術(shù)HCM患者）；

2.統(tǒng)計(jì)分析

（1）數(shù)據(jù)顯示為平均值±SD或SE。S-t檢驗(yàn)和Wilcoxon Mann–Whitney U檢驗(yàn)P<0.05是顯著的。

（2）組學(xué)數(shù)據(jù)分析：Mann-Whitney U檢驗(yàn)、Benjamini–Hochberg（BH法）、雙側(cè)Welch t檢驗(yàn)、Wald檢驗(yàn)。皮爾遜相關(guān)系數(shù)使用pandas 和SciPy進(jìn)行線性回歸分析。

3.技術(shù)路線

3.1.組織學(xué)分析：心肌細(xì)胞肥大、壞死間質(zhì)膠原?、組織纖維化程度、纖維化基因

3.2組學(xué)分析方法：代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)

3.3代謝和脂質(zhì)分析方法：非靶向和靶向質(zhì)譜法

3.4基因表達(dá)：RNA測序

3.5其它方法：磁共振成像技術(shù)、電子斷層掃描、Western-blot、透射電子顯微鏡分析

研究結(jié)果

多組學(xué)揭示能量受損

HCM代謝降解分子途徑水平分析用于確定失調(diào)的途徑。途徑富集揭示了所有代謝途徑的顯著改變，表明能量代謝的存在（圖1C）。代謝網(wǎng)絡(luò)圖上繪制了主要代謝變化（圖1D），顯示了關(guān)鍵代謝酶及其相關(guān)代謝物或脂質(zhì)轉(zhuǎn)錄的一致性變化。脂質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)研究，觀察到顯著增加的游離脂肪酸濃度（圖1D和圖2）。HCM心肌顯示心肌收縮率降低，其中長鏈?；〈迹?gt;C14）受影響最大（圖1D和圖2C）。線粒體膜運(yùn)輸?；〈加嘘P(guān)基因的運(yùn)輸因素減少（圖1D和圖2B）。除了脂質(zhì)的變化外，HCM中的碳水化合物代謝也顯著降低（圖1D和圖2 ）。TCA循環(huán)中間產(chǎn)物及其相關(guān)基因均降低（圖1D、圖2B、和圖2F）。

圖1 |?HCM研究設(shè)計(jì)和分子圖譜

圖２|?HCM代謝失調(diào)

HCM與線粒體超微結(jié)構(gòu)和功能受損有關(guān)

纖維間線粒體的一個(gè)子集因無序而腫脹降低嵴密度（圖3A）。量化嵴密度的變化證實(shí)了嵴嚴(yán)重受損的線粒體百分比（圖3B-3D）。高分辨率的圖像同一樣本中單個(gè)線粒體之間嵴密度的差異（圖3E）與異質(zhì)線粒體損傷一致。形態(tài)學(xué)變化與關(guān)鍵基因下調(diào)相關(guān)線粒體膜組織，呼吸鏈復(fù)雜的組裝和嵴形成有關(guān)（圖3F）。

通過Oroboros血氧儀測量的復(fù)合物V氧化磷酸化能力降低（圖4A和圖4B）與發(fā)現(xiàn)的ATP和ADP含量降低的結(jié)果一致。復(fù)合物II和V的活性以及幾種線粒體復(fù)合物成分的轉(zhuǎn)錄水平也顯著降低（圖4C）。此外，解偶聯(lián)蛋白2顯著上調(diào)（圖4D），磷酸化AMPK顯著增加（圖4E-4G）。這些數(shù)據(jù)表明，代謝需求和活化增加AMPK在HCM心臟中表達(dá)的降低，能量供應(yīng)減少歸因于線粒體功能障礙。

圖3|?HCM中的線粒體損傷

圖４|?HCM線粒體呼吸功能和能力

線粒體損傷與活性氧增加有關(guān)

研究HCM線粒體結(jié)構(gòu)損傷的機(jī)制，活性氧對線粒體脂質(zhì)的影響膜和線粒體DNA。4-羥基壬烯醛的修飾蛋白顯著升高（圖5A）。通過非目標(biāo)液相色譜-質(zhì)譜脂質(zhì)組學(xué)測量LO3在內(nèi)的各種心磷脂種類的減少。

L2O2、L2O及L4的下降（圖5B）。HCM中線粒體與基因組DNA的比率降低（圖5C），同時(shí)與線粒體DNA完整性和線粒體轉(zhuǎn)錄和翻譯相關(guān)的基因表達(dá)降低（圖5C）。代謝組學(xué)數(shù)據(jù)顯示，主要的抗氧化劑谷胱甘肽（圖5D和5E），包括SOD在內(nèi)的其他關(guān)鍵抗氧化劑水平均為陽性減少。谷胱甘肽過氧化物酶可顯著減少過氧化氫和脂質(zhì)過氧化物（圖5F）。結(jié)果表明，氧化應(yīng)激增加可歸因于活性氧升高。

圖5|?HCM氧化損傷增加

圖6|?HCM線粒體改變

相關(guān)討論

肥厚型心肌病(HCM)的全面性研究很少。本篇文章是采用多組學(xué)分析，揭示了分子機(jī)制在的HCM病理生理學(xué)的特征。這些與線粒體呼吸減少和受損線粒體的積累有關(guān)，是由于氧化應(yīng)激的增加、抗氧化防御能力的降低以及未能上調(diào)的線粒體吞噬清除。

HCM組織表現(xiàn)為大量積累游離脂肪酸，相關(guān)研究尚不清楚游離脂肪酸水平增加。研究也發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)脂肪代謝不同階段的主要酶的表達(dá)減少了酸性β-氧化，線粒體脂肪酸氧化的主要調(diào)節(jié)因子沒有上調(diào)。此外，HCM心臟積累了有毒的脂質(zhì)中間產(chǎn)物。

HCM氧化時(shí)限制脂肪酸的代謝，葡萄糖水平降低和糖酵解代謝產(chǎn)物及回補(bǔ)底物TCA循環(huán)提供了能量，限制了能源供應(yīng)。心肌能量再生能力有限，能量受損代謝可能是HCM功能惡化的一個(gè)重要機(jī)制，也是治療HCM的一個(gè)潛在靶點(diǎn)治療干預(yù)。

能源需求增加HCM心臟促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生，HCM心肌表現(xiàn)出幾種心磷脂種類減少。線粒體亞群線粒體受損和嵴密度降低。HCM中線粒體結(jié)構(gòu)的改變與線粒體氧化損傷減少有關(guān)，磷酸化能力和呼吸功能降低復(fù)雜的活動，確認(rèn)線粒體功能損害。表明HCM心肌線粒體亞群仍可能存在呼吸功能正常，但不能滿足高收縮HCM心臟的高能量需求。

激活有絲分裂吞噬途徑以消除呼吸能力降低的異常線粒體，有助于防止活性氧的細(xì)胞毒性影響，維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，改善線粒體功能作用。線粒體質(zhì)量控制受損可能最終導(dǎo)致HCM中受損線粒體的積累而至線粒體損傷。

研究討論

本研究采用了多組學(xué)分析HCM中病理生理機(jī)制的心肌代謝和能量學(xué)整體變化。代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)與基因轉(zhuǎn)錄的改變、調(diào)節(jié)這些途徑的關(guān)鍵酶會增強(qiáng)。伴隨著代謝紊亂，作者發(fā)現(xiàn)氧化損傷加劇，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)和功能顯著缺陷，線粒體質(zhì)量控制上調(diào)失敗，增加了對能量的需求。通過早期出現(xiàn)的變化程度，建議改善代謝功能和線粒體功能，可能是減緩HCM的有效辦法。

小鹿推薦

本篇文章對肥厚型心肌病(HCM)的病理機(jī)制進(jìn)行了深入研究。通過采用多組學(xué)方法分析病理心肌的基因、代謝等途徑，研究心肌、線粒體功能對HCM的影響。同時(shí)，也為肥厚型心肌病的治療提供了新靶點(diǎn)。

1.Maron BJ, Maron MS. Hypertrophic cardiomyopathy. Lancet. 2013;381:242–255. doi: 10.1016/

S0140-6736(12)60397-3

2. Semsarian C, Ingles J, Maron MS, Maron BJ. New perspectives on the prevalence of hypetro-

phic cardiomyopathy. J Am Coll Cardiol. 2015;65:1249–1254. doi: 10.1016/j.jacc.2015.01.019

3. Spudich JA. Three perspectives on the molecular basis of hypercontractility caused by hyper-

trophic cardiomyopathy mutations. Pflugers Arch.2019;471:701–717. doi: 10.1007/s00424-019-

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文末看點(diǎn)｜lumingbio

上海鹿明生物科技有限公司多年來，一直專注于生命科學(xué)和生命技術(shù)領(lǐng)域，是國內(nèi)早期開展以蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)為基礎(chǔ)的多層組學(xué)整合實(shí)驗(yàn)與分析的團(tuán)隊(duì)。目前在多層組學(xué)研究已經(jīng)有了成熟的技術(shù)方法

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