Adv Sci | 彭张哲/黄皓团队揭示丙酮酸羧化酶PC调控肾脏纤维化新机制

BioArtMED · 公众号 · · 2025-02-06 14:30

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肾脏纤维化是多种慢性肾脏病（Chronic kidney disease，CKD）逐渐进展为终末期肾脏病的共同通路，也是导致肾功能逐渐丧失的主要决定因素。近来研究发现，肾小管上皮细胞线粒体损伤诱发代谢重编程是肾脏纤维化的重要病理基础之一，但其调控机制并不十分清楚。丙酮酸羧化酶（Pyruvate carboxylase，PC）位于线粒体，可催化丙酮酸形成草酰乙酸，为线粒体三羧酸循环提供底物。PC在肾脏组织中高表达，但其在肾脏疾病中的功能尚未见报道。

近日，中南大学湘雅医院彭张哲教授和中南大学生命科学学院黄皓副研究员团队在 Advanced Science 在线发表题为 Deletion of Pyruvate Carboxylase in Tubular Epithelial Cell Promotes Renal Fibrosis by Regulating SQOR/cGAS/STING-Mediated Glycolysis 的研究论文， 该研究揭示了PC缺乏对肾脏纤维化病理的调控作用及机制 。

为了阐明PC在肾脏纤维化中的表达模式，研究人员利用bulk RNA-Seq、scRNA-Seq等公共数据及肾脏纤维化小鼠模型分析发现，PC在正常小鼠肾脏的肾小管上皮细胞中高表达，但在肾脏纤维化模型小鼠中，PC的表达水平显著下调。利用中南大学湘雅医院肾内科肾脏纤维化病理标本库，作者进一步明确PC在多种肾小管间质纤维化疾病病人中表达显著下调，且其表达水平与病人肾组织胶原沉积、CKD分期和血清肌酐水平呈负相关，与病人eGFR呈正相关，提示PC可能在肾脏纤维化中发挥重要作用。

随后，研究人员构建了肾小管上皮细胞条件敲除PC的模型小鼠（cKO）并发现，与2月龄小鼠相比，16月龄的老年cKO小鼠表现出更严重的肾脏纤维化表型，细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）沉积显著增加。在单侧输尿管结扎梗阻（UUO）诱导的小鼠肾脏纤维化模型中，与对照组模型小鼠相比，cKO小鼠的肾功能损害更重，间质纤维化程度和ECM沉积显著增加。在细胞模型中，使用CRISPR-Cas9技术在人肾小管上皮细胞系HK-2中敲除PC后发现，PC的缺乏可加重TGF-β1刺激下多种ECM蛋白和上皮间充质转分化通路分子的表达。

体内、体外样本代谢组学检测分析表明，多种糖酵解代谢物水平在PC敲除后显著上调。Seahorse分析证实，TGF-β1刺激下PC敲除后的细胞外酸化率（ECAR）远高于对照组，同时氧消耗率（OCR）显著降低。免疫印迹和酶活性检测分析证实，无论是表达水平或酶活性，部分糖酵解关键酶在UUO诱导下的cKO小鼠中显著上调，而氧化磷酸化酶关键酶则显著下调。提示PC敲除可以增强糖酵解过程，从而导致加重肾脏纤维化。

进一步分析显示，PC敲除可加重肾小管上皮细胞线粒体损伤，表现出线粒体膜破裂、萎缩、嵴减少甚至消失、mtROS水平升高、线粒体膜电位降低、FIS1/MFN2比例显著升高、mtDNA泄露增加等。更重要的是，PC敲除的UUO小鼠肾脏中cGAS和STING蛋白水平显著增加。这些发现表明，PC基因敲除诱导了线粒体损伤和mtDNA向细胞质的泄漏，从而触发了cGAS-STING信号通路的激活。

机制上，研究人员证实PC可与线粒体硫化物醌氧化还原酶（Sulfide:quinone oxidoreductase，SQOR）发生相互作用，稳定后者的蛋白水平。SQOR的缺乏已被证实可以引发线粒体膜脂质过氧化，导致线粒体损伤和铁死亡的发生。作者通过体内、体外实验证实，PC缺失减少了与SQOR的相互作用，从而在肾脏纤维化的病理条件下通过泛素-蛋白酶体途径促进SQOR的降解，进而加重了线粒体损伤和mtDNA的释放。

最后，作者还构建了肾小管上皮细胞条件敲入PC的过表达小鼠，并发现PC的过表达可部分逆转UUO诱导的小鼠肾脏纤维化，ECM沉积显著减轻。

综上，作者提出，当在遗传或者环境因素的影响下PC在肾脏中表达降低，通过减少与SQOR的相互作用，使SQOR泛素化水平增强，表达降低，致使线粒体损伤、线粒体膜破裂、mtDNA释放，激活cGAS/STING通路，诱导肾小管上皮细胞代谢重编程的发生，糖酵解增强，最终加重肾脏纤维化的发生发展。该研究明确了PC是肾脏纤维化的新调控基因，PC及其下游分子可能成为肾脏纤维化的潜在诊断标志物和干预靶点。

生命科学学院黄皓副研究员、湘雅医院博士生韩媛媛为论文并列第一作者，湘雅医院肾内科彭张哲教授为论文通讯作者。该研究得到了湘雅医院陶立坚教授的大力支持。该研究是在国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中国博士后科学基金、芙蓉实验室科技攻关项目、中南大学前沿交叉研究项目和湘雅医院青年科研基金的资助下完成的。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202408753

彭张哲 ，中南大学湘雅医院肾内科副主任，主任医师、教授、博导。长期从事急性器官损伤、器官纤维化及新药研发的临床和基础研究。近年来主持国家级和省部级项目10余项，在Kidney Int、Adv Sci、Circ Res、J Am Soc Nephrol等期刊发表系列研究论文。欢迎优秀博士后、优秀学子加入课题组！

黄皓，中南大学生命科学学院副研究员、硕导。主要从事脂代谢和肝肾系统疾病的遗传和机制研究。近年来主持多项国家级和省部级科研项目，在Circulation、Adv Sci、Trends Endocrinol Metab、MedComm等期刊发表系列研究论文。欢迎对代谢性疾病遗传机制和治疗研究感兴趣的学生加入！

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