4D修饰首秀-四川大学华西医院李涛教授团队揭示酮体β-羟基丁酸靶向调控线粒体-炎症环路减轻HFpEF

2020-12-05 12:47:12, 景杰学术杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰学术 | 报道

随着2019年离子淌度（Trapped Ion Mobility Spectrometry, TIMS）概念的引入，蛋白质组学进入了4D新时代。除了在蛋白质组分析方面展现出极佳的灵敏度和覆盖深度以外，4D蛋白质组还能够带来更精确的修饰鉴定，大幅度提高翻译后修饰位点定位的可靠性，再次展现了4D蛋白质组学强大的功能和广泛的应用前景。

本期为您解读，四川大学华西医院李涛教授团队，基于景杰生物提供的4D乙酰化修饰组学服务，发表的有关“线粒体在HFpEF发生发展过程中作用机制”的最新研究成果。

背景介绍

心衰（Heart Failure, HF）是绝大部分心血管疾病发展的终末阶段，也是导致全球人口死亡的重要原因之一。流行病学研究显示，超过50%的心衰患者射血分数正常（HF with preserved ejection fraction, HFpEF）。随着人口老龄化进程，HFpEF将逐步成为未来心衰的主要形式[2]。目前，针对射血分数降低心衰患者（HF with reduced ejection fraction, HFrEF）的疗法对HFpEF均无效，也缺乏针对HFpEF的特异性药物 [3]。

HFpEF是一个更为复杂的系统性疾病，大量流行病学的数据分析发现HFpEF的合并症多，包括高血压、糖尿病、肥胖、老龄化等，而线粒体功能障碍是上述疾病的共同致病机制，但是线粒体在HFpEF发生发展过程中的作用机制尚缺乏充分的研究，如果能进一步加以探索，将会为线粒体靶向治疗HFpEF提供新视角。

文献速读

2020年11月12日，四川大学华西医院线粒体与代谢医学研究室，麻醉手术中心李涛教授团队与华盛顿大学田蓉教授团队合作在Circulation Research（IF=14.467）发表了最新研究成果“Targeting mitochondria-inflammation circuit by β-hydroxybutyrate mitigates HFpEF” [1]，研究者构建了一种新型HFpEF小鼠模型，高度复制了临床HFpEF患者的病理表型，进一步解析了NLRP3炎症小体和线粒体功能障碍在HFpEF发生发展的重要机制，并深入剖析β-OHB在改善HFpEF症状中的重要作用，为将来HFpEF研究提供了工具和潜在的治疗靶点。其中景杰生物的4D乙酰化修饰组学服务以及抗体产品为该研究提供了技术支持。

研究者首先通过长期高脂饮食暴露处理小鼠，并注射药物促进高血压和全身性炎症（3-Hit Strategy），构建了一种新型HFpEF小鼠模型。多种指标实验验证了该模型小鼠具有HFpEF的典型病理表型。

图1 3-Hit Strategy构建HFpEF小鼠模型

通过对胞浆和线粒体蛋白的蛋白印迹和蛋白原位杂交研究发现，3-Hit小鼠心肌中ASC蛋白在线粒体上的表达量增加；基于免疫沉淀技术发现转位到线粒体的ASC结合NLRP3能力更强。进一步研究表明，3-Hit小鼠心脏组织Sirt3表达降低，结合乙酰化修饰组学（研究共鉴定到5,184个位点），发现乙酰化增加的蛋白80%集中在线粒体。通过改变线粒体乙酰化，验证了线粒体过度乙酰化促进ASC在线粒体的聚集，更易形成NLRP3炎症小体，促进炎症因子释放。该现象也在经典的过度乙酰化转基因动物Sirt3-KO小鼠上得到证实。

图2 线粒体过度乙酰化促进NLRP3炎症小体组装

已有研究提示，HFrEF中酮体（β-OHB）可作为能量替代底物 [4]，但β-OHB代谢在HFpEF中的作用完全未知。研究者利用13C同位素标记β-OHB和脂肪酸结合核磁共振图谱扫描，发现在3-Hit小鼠心脏中，β-OHB代谢下降50%，同时伴随BDH1蛋白表达下降，但Sirt3敲除小鼠心脏内的β-OHB氧化和BDH1表达都明显上升，并未改善HFpEF症状，说明增加心脏β-OHB氧化对HFpEF心脏并无益处。为进一步验证β-OHB的作用，研究者在细胞水平证实，β-OHB通过非氧化机制保护线粒体功能，同时减弱炎性细胞因子诱导的纤维化；同时研究团队通过给3-Hit小鼠灌胃Ketone ester或SGLT2抑制剂EMPA，增加心脏β-OHB含量，可显著降低3-Hit小鼠心脏的线粒体蛋白乙酰化，抑制NLRP3炎症小体的形成和提高线粒体功能，改善HFpEF病理表型。

图3 增加β-OHB可改善NLRP3炎症小体引发的线粒体功能障碍以及HFpEF病理表型

接下来针对β-OHB是如何减少线粒体乙酰化作用机制展开研究，研究者发现β-OHB一方面通过对柠檬酸合酶K395进行β-OHB修饰（Kbhb），激活柠檬酸合酶活性，促进乙酰辅酶A的代谢；另一方面，β-OHB可抑制脂肪酸摄入，减少乙酰辅酶A的生成，从而降低线粒体蛋白乙酰化水平，并最终在HFpEF小鼠心脏起到抗炎、减少纤维胶原沉积、改善线粒体功能的作用。

图4 β-OHB通过激活柠檬酸合酶活性同时抑制脂肪酸摄取减少乙酰化

小结与展望

目前，超过50%的心衰患者为HFpEF患者，其病理机制复杂，缺乏公认的动物模型，也无有效的治疗手段。本篇研究不仅构建了一种高度复制临床HFpEF患者的小鼠模型，还解析了HFpEF发生发展以及β-OHB改善HFpEF症状的重要机制，为未来开发新型HFpEF治疗药物提供了坚实的科学理论基础。

Working Model：NLRP3炎症小体和线粒体功能障碍在HFpEF中的作用机制以及β-OHB的对抗机制

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参考文献：

1. Deng Y, et al. 2020. Targeting mitochondria-inflammation circuit by β-Hydroxybutyrate Mitigates HFpEF. Circulation Res.

2. D. L. Mann, D. P. Kelly, 2017. Empagliflozin and the Prevention of Heart Failure: Will Reverse Translation Lead to New Paradigms for the Treatment of Heart Failure? JACC Basic Transl Sci.

3. K. Sharma, D. A. Kass, 2014. Heart failure with preserved ejection fraction: mechanisms, clinical features, and therapies. Circ Res.

4. G. Aubert et al., 2016. The Failing Heart Relies on Ketone Bodies as a Fuel. Circulation.

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