研究背景
組織的代謝靈活性決定了炎癥挑戰(zhàn)期間器官損傷的程度和可逆性。然而對于敗血性心肌病（SCM）的心肌代謝功能障礙，目前尚無有效的治療方法。近期上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一人民醫(yī)院李俊、劉少穩(wěn)團隊在Nature Communications (IF 15.7)上發(fā)表文章“Cardiomyocyte mitochondrial mono-ADP-ribosylation dictates cardiac tolerance to sepsis by configuring bioenergetic reserve in male mice”，發(fā)現(xiàn)MacroD1抑制通過增強Ndufb9蛋白的單ADP核糖基化來保留心肌細胞的線粒體復(fù)合體I（MCI）活性和生物能量儲備，從而減輕敗血癥誘導(dǎo)的心肌焦亡和功能障礙。
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基因信息 MacroD1：單ADP核糖水解酶
病毒產(chǎn)品 Ad-GFP,Ad-MacroD1
實驗細胞 新生大鼠心肌細胞（NRCMs）
MOI 50
WB表明Ad-MacroD1成功在心肌細胞表達
結(jié)果展示
1. 心肌細胞MacroD1基因敲除使心肌耐受敗血癥
作者發(fā)現(xiàn)心肌細胞MacroD1上調(diào)與SCM有關(guān)，為了研究MacroD1在SCM中的作用，作者構(gòu)建了MacroD1心肌細胞特異性敲除（cKO）小鼠。實驗發(fā)現(xiàn)LPS（脂多糖）處理導(dǎo)致對照小鼠產(chǎn)生25%的死亡率，但cKO小鼠均存活，對照小鼠中的心肌抑制以及循環(huán)LDH和cTnT的升高在cKO小鼠中被MacroD1基因敲除顯著抵消。此外LPS誘導(dǎo)對照小鼠心臟中髓過氧化酶陽性中性粒細胞顯著增加,并伴隨著膠原沉積和肌成纖維細胞激活，但在cKO小鼠中這些病理改變減輕。作者還進行了盲腸結(jié)扎和穿孔手術(shù)以模擬菌血癥引起的心功能障礙，發(fā)現(xiàn)cKO小鼠的存活率和心臟功能相比于對照小鼠得到顯著改善。cKO小鼠中心肌損傷標志物的循環(huán)水平以及心肌炎癥浸潤和肌成纖維細胞活化的強度較低，凸顯了MacroD1在SCM中的重要性，表明其對心肌損傷具有抵抗力。機制研究發(fā)現(xiàn)代謝途徑的保留，尤其是線粒體氧化磷酸化，與cKO介導(dǎo)敗血癥耐受性密切相關(guān)，MacroD1下調(diào)能在內(nèi)毒素血癥應(yīng)激下維持生物能量過程。
圖1 心肌細胞MacroD1基因敲除使心肌耐受敗血癥
2. MCI亞基Ndufb9是cKO誘導(dǎo)的生物能量保存的基礎(chǔ)
作者研究了MacroD1失活依賴性能量代謝的關(guān)鍵介質(zhì)。發(fā)現(xiàn)cKO小鼠中MCI活性提高，并抵消了IPS誘導(dǎo)的MCI和MCV的抑制。MacroD1的過表達增加了LPS處理的AC16人心肌細胞中的線粒體ROS，并進一步抑制了MCI活性和ATP產(chǎn)生。MacroD1中Macro結(jié)構(gòu)域的缺失保留了AC16細胞的線粒體功能，暗示Macro結(jié)構(gòu)域在MacroD1依賴性線粒體功能中的重要性。之后作者通過蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定了261種差異富集的蛋白質(zhì)，并鑒定出三種與MCI功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)僅Ndufb9顯示出單ADP核糖基化，免疫沉淀進一步驗證了MacroD1和Ndufb 9之間的相互作用，并證明Macro結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)MacroD1與Ndufb9的結(jié)合。進一步研究發(fā)現(xiàn)Ndufb9-R173的單ADP核糖基化對于MacroD1抑制介導(dǎo)的線粒體穩(wěn)態(tài)抵抗敗血癥損傷至關(guān)重要。
圖2 MCI亞基Ndufb9是cKO誘導(dǎo)的生物能量保存的基礎(chǔ)
3. cKO阻斷心肌細胞中MCI功能障礙和炎癥損傷
細胞生物能量狀態(tài)調(diào)控炎癥反應(yīng)，作者分析了MacroD1介導(dǎo)的線粒體代謝是否影響敗血癥中NLRP3炎性小體的激活和心肌細胞的焦亡。LPS或CLP處理誘導(dǎo)cKO小鼠和對照小鼠中血清IL-1β和TNFα的相當(dāng)增加，但在cKO小鼠心臟中，凋亡相關(guān)斑點樣蛋白、NLRP3、IL1β、IL18和TNFα mRNA的表達降低。此外蛋白質(zhì)印跡檢測顯示，cKO小鼠中焦亡介質(zhì)、cleaved caspase-1和GSDMD、炎性小體成分NLRP3和ASC以及促炎細胞因子TNFα下調(diào)，轉(zhuǎn)移到線粒體的ASC和NLRP3蛋白水平顯著降低。心肌中的免疫沉淀和離體成年小鼠心室心肌細胞的鄰位連接試驗進一步表明ASC與NLRP3蛋白的結(jié)合減少。LPS處理的NRCM中也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，這些結(jié)果強調(diào)了MacroD1在敗血癥期間調(diào)節(jié)心肌細胞NLRP3炎性體的啟動和激活。
圖3 cKO阻斷心肌細胞中MCI功能障礙和炎癥損傷
實驗結(jié)論
本研究發(fā)現(xiàn)心肌細胞MacroD1的遺傳和藥理學(xué)抑制都會加劇心肌代謝損傷、炎癥、功能障礙以及盲腸結(jié)扎和穿孔引起的死亡風(fēng)險。在機制上，MacroD1抑制通過增強Ndufb 9單ADP核糖基化來保留心肌細胞的MCI活性和生物能量儲備，從而減輕敗血癥誘導(dǎo)的心肌焦亡和功能障礙。表明MacroD1阻斷可以保護心臟免受敗血癥的侵害，有望特異性預(yù)防SCM。