Nature Medicine:靶向去酪氨酸微管可改善心肌细胞功能

景杰生物/报道

心力衰竭（心衰）是指各种心脏结构或功能性疾病导致的一组临床综合征，它是由各种原因导致的初始心肌损伤引起心室充盈和射血能力受损，最后导致心脏泵血功能低下。

先前在小鼠肌细胞中的研究表明，微管的机械贡献不仅取决于网络的增殖，还取决于其翻译后的修饰。微管在低阻滑移和高阻屈曲之间发生机械行为切换，这是由于微管与至少部分由脱溶中间丝介导的肌节相互作用造成的。这种开关由微管的翻译后脱酪氨酸(dTyr)控制，促进细胞骨架网络的屈曲行为和交联，增加了对肌节缩短和伸展的粘弹性阻力。虽然先前的研究表明，肌间线蛋白和dTyr在心衰中均可能升高，但这些变化的程度及其功能影响尚不清楚。

近日，发表在专业学术期刊Nature Medicine上的文章，运用蛋白组学定量分析和单肌细胞机械分析，比较心衰患者与正常心脏组织样本间差异，表明中间丝和微管相关蛋白在心衰样本中显著富集，去酪氨酸微管水平也显著增加，而抑制去酪氨酸微管可以提高心衰病人心肌细胞的收缩力。表明靶向去酪氨酸微管可能代表了一种改善心功能的新肌力策略。 

蛋白质是细胞功能的主要执行者，蛋白质组在宏观的角度全面、系统地解析与疾病机理相关的蛋白质状态与功能，能够深入了解疾病发生机理、乃至药物开发。 本文思路清晰，可作为运用蛋白质组学研究疾病发生机理、与药物研发的典型范例。

研究对象：微管蛋白去酪氨酸化

疾病：心力衰竭

样本：人心脏组织

方法：定量蛋白组学

期刊：Nature Medicine

1、样本选择与处理

本文共使用105例心衰和非心衰的患者左心室心脏样本，其中非心衰样本细分为正常（Normal）和代偿性肥大(cHYP)样本，心衰样本细分为缺血性心肌病(ICM)，扩张型心肌病(DCM)和肥厚型心肌病(HCM)，肥厚型心肌病又分为非梗阻型（HCMpEF）和梗阻型（HCMrEF）。文中对102例心脏样本进行Western Blot检测，并对其中的34例样本做质谱分析，22例进行心肌细胞的初分离用于后续的功能研究。

2、蛋白组学揭示心衰样本中微管和中间丝蛋白的表达量和稳定性升高

串联质谱分析在左心室组织中检测到3764个蛋白，主成分分析(PCA)用于检测和显示各组间蛋白分布的差异，表明非衰竭心脏与衰竭心脏分离良好。其中在衰竭的心脏中，非缺血性心脏病(HCM和DCM)的蛋白质组谱紧密聚集在一起，而缺血性(ICM)的心脏表现出明显不同的蛋白质组学特征(图1a)。

作者选择各组上下调改变最显著的25个蛋白做了GO富集分析(图1b)，GO富集分析结果也显示出和图1a类似的疾病分型效果,揭示心衰发生与细胞骨架蛋白的改变密切相关。

代偿性肥大(cHYP)：富集效果最明显的是与线粒体功能或氧化还原平衡有关的蛋白；

缺血性心肌病(ICM)：参与免疫和炎症反应的蛋白显著富集；

非缺血性心力衰竭，尤其是HCMrEF和DCM：富集最明显的五类蛋白中有三类是细胞骨架蛋白。

 Fig.1 心衰疾病左心室组织蛋白质组学分析

作者进一步对驱动细胞骨架变化的单个蛋白的表达谱进行分析，图1c显示了主要细胞骨架亚群：中间丝蛋白、微管蛋白和肌动蛋白/肌球蛋白的蛋白表达。中间丝蛋白表现出从cHyp到终末期心衰的显著的持续性上调，主要的微管蛋白亚型也在逐渐增加，但幅度较小；相反，大多数肌动蛋白和肌球蛋白亚型，包括肌肉瘤肌动蛋白，在疾病中相对丰度下降。

作者从DCM和HCMrEF样本组中选取5个上调最显著的和微管相关的蛋白进行了验证(图1d)，其中，基本上每个受试者样本的微管相关蛋白4(MAP4)都有所增加，这表明这种微管稳定剂在人类心脏病中具有高度保守的上调作用。虽然大多数微管蛋白亚型合成过程都有C端酪氨酸修饰，而α-tubulin A4A (TUBA4A)是合成Detyrosinated形式。因此，推测在心衰病人心脏中，MAP4和TUBA4A蛋白的增加会增加稳定的、去酪氨酸形式的微管蛋白数量。

蛋白质组分析表明细胞骨架的上调和稳定——特别是微管、中间丝和与连接细胞骨架和外部环境相关的蛋白质——是人类晚期心衰的一个显著特征。

Fig.2 心衰样本中微管和中间丝蛋白的表达量和稳定性升高

3、超高分辨率显微镜显示心衰心肌细胞微管蛋白量和修饰水平增加

超分辨率成像显示，衰竭的心肌细胞的特征是密集的、严重的去酪氨酸微管网络，这与肌细胞僵硬和收缩能力受损有关（图3）。

Fig.3 未衰竭和衰竭的人心肌细胞微管和结蛋白的特性

4、抑制去酪氨酸微管可以提高心衰病人心肌细胞的收缩力

为了验证前面的猜想，作者用两种试剂微管解聚器Colch、 去酪氨酸dTyr抑制剂PTL处理分离好的心肌细胞，并用DMSO作为阴性对照，证明抑制微管蛋白的聚合或者去酪氨酸化修饰都可以提高心衰病人心肌细胞的各项功能指标（图4）。

Fig.4 抑制去酪氨酸微管改善心肌细胞收缩力

本文运用基于质谱的蛋白质组学分析和单肌细胞机械分析来描述心肌细胞骨架的变化及其在人类心力衰竭中的功能后果。通过对左心室组织的蛋白质组分析，发现衰竭心脏中中间丝和微管的稳定是一致的。衰竭的心肌细胞的特征是密集的、严重的去酪氨酸微管网络，这与肌细胞僵硬和收缩能力受损有关。对去酪氨酸微管的药理抑制降低了衰竭心肌细胞的粘弹性，恢复了40-50%丧失的收缩功能；用遗传方法减少微管脱酪氨酸也能软化心肌细胞并改善收缩动力学。

这些结果表明，一种改良的细胞骨架网络阻碍了衰竭人类心脏心肌细胞的收缩功能，而靶向去酪氨酸微管可能代表了一种改善心功能的新肌力策略.

参考文献

Christina Yingxian Chen, et al. (2018), Suppression of detyrosinated microtubules improves cardiomyocyte function in human heart failure. Nature Medicine.

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