北京协和周冰莹、胡盛寿院士，心脏保护新机制登上Nature Communications

BioMed科技 · 公众号 · · 2025-01-26 19:31

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心脏保护新机制：Serpina3k乳酸化修饰的保护作用

心肌缺血再灌注损伤（IRI）是急性心肌梗死（MI）后恢复心肌血流时引发的一种病理生理过程，尽管恢复血流是减少梗死面积和改善预后的标准策略，但这一过程却可能加剧细胞功能障碍和死亡，进而影响心脏功能和结构。近年来，研究发现乳酸化修饰（一种在缺血期间产生的乳酸对蛋白质赖氨酸残基的修饰）在多种疾病中具有重要作用，其在心脏缺血再灌注损伤中的具体作用尚不明确。本研究旨在通过分析小鼠心肌缺血再灌注损伤期间的乳酸化修饰组和蛋白质组，揭示乳酸化修饰在心脏保护中的潜在作用及其分子机制。

北京协和医学院胡盛寿院士、周冰莹副研究员团队研究通过分析小鼠心肌缺血再灌注损伤期间的乳酸化修饰组（lactylome）和蛋白质组（proteome），揭示了Serpina3k及其人类同源物SERPINA3在心脏成纤维细胞中的表达和乳酸化修饰增加，并且这种修饰对于心脏保护至关重要。

相关内容以“Serpina3k lactylation protects from cardiac ischemia reperfusion injury”为题发表在《 Nature Communications 》

【主要内容】

图1 心肌缺血/再灌注损伤的整体乳酸酶谱分析

通过四维（4D）无标记定量质谱分析，研究者们对接受假手术（Sham）、心肌梗死（MI）和缺血再灌注（I/R）处理的小鼠心脏组织进行了分析。结果显示，I/R处理的小鼠心脏中乳酸化修饰和蛋白质表达的变化最为显著，表明缺血再灌注过程对心脏组织的蛋白质修饰和表达产生了重大影响。通过基因本体（GO）分析和蛋白质相互作用网络分析，研究揭示了乳酸化修饰蛋白在能量代谢、收缩功能以及蛋白酶抑制等生物学过程中的富集现象，提示这些过程在缺血再灌注损伤中受到严格调控。

图2 体内I/R和体外常氧缺氧时，SA3K和SA3K- kla均升高

图中验证了Serpina3k（SA3K）蛋白及其乳酸化修饰（SA3K-Kla）在小鼠心肌缺血再灌注损伤中的表达变化。结果显示，SA3K蛋白在I/R处理的小鼠心脏中显著增加，且其乳酸化修饰位点K351的水平也显著上升。免疫荧光染色显示SA3K主要在心脏成纤维细胞（FBs）中表达，而非心肌细胞（CMs）。此外，体外实验表明，模拟缺血再灌注条件（低氧-复氧，H-N）可以显著诱导心脏成纤维细胞中SA3K及其乳酸化修饰的表达，而对心肌细胞无明显影响。这些结果表明，SA3K及其乳酸化修饰在心脏成纤维细胞中对缺血再灌注损伤具有特异性反应。

图3 L -乳酸通过增强乳酸化依赖蛋白的稳定性来上调SA3K水平

实验发现，L-乳酸能够剂量依赖性地增加SA3K蛋白及其乳酸化修饰水平。通过抑制线粒体呼吸链复合体I（rotenone）或抑制乳酸脱氢酶（LDH，oxamate），可以分别增加或减少细胞内L-乳酸水平，进而影响SA3K的乳酸化修饰和蛋白稳定性。此外，实验还通过蛋白半衰期测定证实，L-乳酸通过乳酸化修饰位点K351增强了SA3K蛋白的稳定性。这些结果表明，L-乳酸通过乳酸化修饰调控SA3K蛋白的稳定性和功能。

图4 在再灌注损伤中，SA3K是心脏保护的重要驱动因子

通过Serpina3k基因敲除（SA3K-KO）小鼠模型评估了SA3K在心脏缺血再灌注损伤中的保护作用。结果显示，与野生型（WT）小鼠相比，SA3K-KO小鼠在I/R处理后表现出更大的梗死面积、更高的血清心脏损伤标志物水平（如cTnT、cTnI和CK-MB）以及更严重的细胞凋亡。此外，SA3K-KO小鼠在I/R后的心脏功能（如射血分数EF和左室缩短分数FS）显著受损，且左心室扩张更为明显。这些结果表明，SA3K在心脏缺血再灌注损伤中具有重要的保护作用。

图5 心脏保护需要K351位点的SA3K乳酸化

通过腺相关病毒（AAV9）介导的SA3K过表达或K351位点突变（SA3K-K351R）小鼠模型，实验发现，与空载体（EV）对照组相比，过表达野生型SA3K（SA3K-WT）的小鼠在I/R处理后梗死面积显著减小，血清心脏损伤标志物水平降低，细胞凋亡减少，心脏功能改善，且心肌纤维化程度减轻。然而，过表达乳酸化缺陷突变体（SA3K-K351R）的小鼠并未表现出这些保护效应。这些结果表明，SA3K的乳酸化修饰位点K351对于其心脏保护作用至关重要。

图6 FBs分泌的SA3K/SA3通过旁分泌信号保护细胞免受IRI诱导的凋亡

研究人员揭示了心脏成纤维细胞分泌的SA3K通过旁分泌信号保护心肌细胞免受缺血再灌注损伤诱导的凋亡。实验中，将心脏成纤维细胞（FBs）和心肌细胞（CMs）分离培养，并用缺血再灌注模拟条件（H-N）处理FBs，收集其条件培养基用于培养CMs。结果显示，H-N处理的FBs条件培养基能够显著抑制CMs的凋亡，这一保护作用可以通过中和SA3K抗体（Nab）消除。此外，SA3K在CMs中的保护作用依赖于其乳酸化修饰位点K351，因为过表达乳酸化缺陷突变体（SA3K-K351R）的FBs条件培养基无法保护CMs免受凋亡。这些结果表明，SA3K通过其乳酸化修饰位点K351在心脏成纤维细胞和心肌细胞之间发挥旁分泌保护作用。

图7 SA3K/SA3通过抑制WNT通路和激活心脏保护的RISK和SAFE通路来保护CMs

通过探讨了SA3K保护心肌细胞的分子机制，即通过抑制WNT信号通路以及激活心脏保护性再灌注损伤挽救激酶（RISK）和存活激活因子增强（SAFE）途径。实验发现，SA3K过表达能够抑制WNT信号通路中的关键蛋白（如p-LRP和β-catenin）的表达，同时显著上调RISK途径中的p-AKT和p-ERK信号，以及SAFE途径中的p-JAK2和p-STAT3信号。相反，SA3K的沉默则导致相反的信号变化。这些结果表明，SA3K通过调节这些关键信号通路来保护心肌细胞免受缺血再灌注损伤诱导的凋亡。

【全文总结】

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