心肌梗死等缺血性心臟病是全球主要致死原因之一。心肌梗死發(fā)生時，會導(dǎo)致心肌缺血和隨后快速、廣泛的心肌細胞死亡，由于成年心肌細胞增殖能力不足，梗死的心臟組織被纖維化瘢痕組織所取代，進而導(dǎo)致心力衰竭。因此，確定調(diào)節(jié)心肌細胞增殖的關(guān)鍵因素可以促進心臟再生新療法的發(fā)展。
2025年3月24日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院聶宇教授團隊在Nature Communications（IF 14.7）上發(fā)表了題為“Foxk1 and Foxk2 promote cardiomyocyte proliferation and heart regeneration”的研究論文。研究證明了Foxk1和Foxk2是心肌細胞增殖和心臟再生的強效誘導(dǎo)劑，F(xiàn)oxk1和Foxk2通過增強細胞周期再進入和誘導(dǎo)代謝重編程的雙重作用促進了心肌細胞增殖，表明Foxk1和Foxk2是缺血性心臟病患者再生治療的有前景的靶點。
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基因信息
Foxk1 & Foxk2：叉頭盒蛋白家族成員
病毒產(chǎn)品
Ad-Foxk1、Ad-Foxk2、Ad-Ctrl
感染細胞
新生小鼠原代心肌細胞
MOI
100
Ad-Foxk1/Foxk2感染原代心肌細胞后免疫染色代表性圖像
01研究結(jié)果
1、Foxk1和Foxk2控制心肌細胞增殖
研究人員首先分析了Foxk1和Foxk2在小鼠心肌細胞不同發(fā)育階段的表達模式，發(fā)現(xiàn)在心臟發(fā)育過程中，F(xiàn)oxk1和Foxk2的表達水平逐漸降低，并通過WB和qRT-PCR實驗證實了這一點。為了揭示Foxk1和Foxk2是否參與心肌細胞增殖，研究人員利用siRNA在原代新生小鼠心肌細胞中單獨敲低Foxk1或Foxk2 ，發(fā)現(xiàn)心肌細胞增殖受到顯著抑制；使用腺病毒過表達Foxk1或Foxk2顯著增加了Ki67和pH3陽性心肌細胞的數(shù)量，證明了它們在促進心肌細胞增殖中的作用。研究人員進一步探討了共過表達Foxk1和Foxk2的協(xié)同作用，發(fā)現(xiàn)Foxk1和Fox k2對增強心肌細胞增殖沒有顯示出累加作用。這表明Foxk1和Foxk2通過保守機制調(diào)節(jié)心肌細胞增殖。
圖1. Foxk1和Foxk2促進心肌細胞增殖
2、Foxk1和Foxk2可以促進心臟再生
為了探索Foxk1或Foxk2在心臟再生中的作用，研究人員構(gòu)建了心肌細胞特異性Foxk1或Foxk2敲除（cKO）小鼠。給予1天齡小鼠心肌梗死損傷，28天后檢測發(fā)現(xiàn)與同窩小鼠相比，F(xiàn)oxk1 cKO和Foxk2 cKO小鼠的梗死瘢痕和缺陷型心肌細胞面積明顯更大。進一步研究發(fā)現(xiàn)心肌細胞中Foxk1或Foxk2特異性缺失對新生小鼠心臟損傷后心臟功能的恢復(fù)有害。數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)oxk1和Foxk2是心肌梗死后新生兒心臟再生和內(nèi)源性心肌細胞增殖所必需的。接下來，研究人員評估了Foxk1和Foxk2對心臟損傷的治療潛力，在成年小鼠心梗模型中利用AAV9過表達Foxk1和Foxk2，發(fā)現(xiàn)Foxk1和Foxk2過表達均可顯著改善心臟功能，減少纖維化疤痕，并促進心肌細胞的增殖。這一結(jié)果表明，F(xiàn)oxk1和Foxk2不僅在新生小鼠心肌細胞增殖中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在成年小鼠中同樣能夠有效促進心臟再生和心臟功能恢復(fù)。
圖2. Foxk1和Foxk2改善成年小鼠的心臟再生和修復(fù)
3、Foxk1和Foxk2通過激活CCNB1/CDK1復(fù)合物誘導(dǎo)心肌細胞增殖
為了揭示Foxk1和Foxk2誘導(dǎo)心臟缺血再灌注的機制，研究人員對用Ad-GFP、Ad-Foxk1或Ad-Foxk2處理48小時的原代新生心肌細胞進行了抗缺血再灌注（CUT&Tag）和RNA-seq處理。實驗發(fā)現(xiàn)心肌細胞過表達Foxk1和Foxk2可導(dǎo)致細胞周期基因表達的協(xié)同變化；并證實Foxk1和Foxk2能夠直接結(jié)合并激活細胞周期相關(guān)基因CCNB1和CDK1的表達，形成CCNB1/CDK1復(fù)合物，促進G2/M期轉(zhuǎn)換，繼而促進心肌細胞增殖。進一步探究發(fā)現(xiàn)Foxk1和Foxk2通過糖酵解增強驅(qū)動心肌細胞增殖，F(xiàn)oxk1和Foxk2通過上調(diào)HIF1α表達誘導(dǎo)心肌細胞糖酵解，增強心肌細胞的糖酵解和磷酸戊糖途徑進而增加葡萄糖的利用率，為心肌細胞增殖提供了必要的生物合成前體和能量來源。
圖3. Foxk1和Foxk2分別通過結(jié)合Ccnb1和Cdk1的啟動子區(qū)域誘導(dǎo)心肌細胞增殖
02結(jié)論
綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)Foxk1和Foxk2是驅(qū)動心肌細胞增殖和心臟再生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。這些因子通過上調(diào)CCNB1/CDK1復(fù)合物促進細胞周期進程，并通過HIF1α激活增強代謝重編程，從而發(fā)揮雙重促增殖作用。以上發(fā)現(xiàn)確立了Foxk1和Foxk2作為心臟修復(fù)的有前景的治療靶點，為心臟再生中細胞周期控制和代謝調(diào)節(jié)之間的相互作用提供了新的見解。