Nature｜心脏再生新发现：抑制脂肪酸氧化使成年小鼠心脏再生

为了探究心脏再生的机制，德国马克斯·普朗克心肺研究所Thomas Braun等研究人员在Nature（IF=69.5）上发表题为Inhibition of fatty acid oxidation enables heart regeneration in adult mice的研究性论文。心肌细胞中脂肪酸氧化的缺失可以提高抗缺氧能力，刺激心肌细胞增殖，使缺血-再灌注损伤后心脏再生。代谢研究揭示cpt1b突变型心肌细胞中能量代谢和α-酮戊二酸积累的变化，导致依赖于α-酮戊二酸的赖氨酸去甲基化酶KDM5的激活。激活的KDM5去甲基化驱动心肌细胞成熟的基因中广泛的H3K4me3域，降低转录水平，使心肌细胞进入不成熟状态，从而促进增殖。代谢成熟塑造了心肌细胞的表观遗传景观，为进一步的细胞分裂创造了障碍，逆转这一过程可以修复受损的心脏。

科学问题

作者探究定FAO（脂肪酸氧化）在体内调节CM增殖和生长的作用。

研究途径

作者使用基因工程构建Cpt1bcKO小鼠模型。

结果1

缺乏cpt1b的心脏增生

与对照小鼠相比，Cpt1b^cKO小鼠的体重(BW)、心脏重量(HW)、HW/BW比值和心脏形态未发生变化。然而，由于心肌同心生长，10周龄Cpt1b^cKO小鼠的心脏大小、HW和HW/BW增加。值得注意的是， Cpt1b^cKO小鼠心脏中CMs的绝对数量增加一倍。此外， Cpt1b^cKO小鼠的CM表面积有相对匀速的增加，这表明心肌同时发生增生性和肥厚性生长。形态学评价显示， CM群体显著增加，表明Cpt1b失活后会形成新的CMs。中等大小CM的比例下降，而较大CM的数量显著增加，反映了CM表面积的总体增加。

结论1

Cpt1b的缺失刺激CMs的增殖，而CMs通常在出生后第一周在新生小鼠心脏中终止增殖。

科学问题

作者探究Cpt1b失活和随后的CMs增殖是否能够使心脏再生。

研究途径

作者使用对Cpt1bcKO和Cpt1biKO小鼠进行缺血再灌注(I-R)损伤。

结果2

FAO阻断使心脏再生成为可能

与对照组相比，3周后Cpt1b^cKO和Cpt1b^cKO小鼠中I-R诱导的瘢痕几乎消失，尽管I-R手术后24小时两种突变体心脏的危险区域(AAR)相似。这表明通过阻断FAO获得的增殖潜力允许先前存在的CMs重新进入细胞周期并促进心脏再生。

在I-R损伤后24小时，Cpt1b^cKO和Cpt1b^cKO心脏AAR梗死区域减少，在I-R损伤后48小时，Cpt1b^cKO小鼠心脏收缩效果更好，这表明抑制FAO也可以保护I-R损伤。组织学分析显示，与对照组相比，Cpt1b^cKO动物的纤维化疤痕区域明显减少，I-R手术后4周心脏功能的主要恢复，达到了几乎与损伤前相同的水平，这明确表明Cpt1b失活促进了心脏再生。

结论2

增强CM增殖和心脏保护都有助于减少FAO缺陷小鼠冠状动脉闭塞后瘢痕形成。

科学问题

作者探究阻断FAO对CMs代谢的影响。

研究途径

作者进行靶向代谢组、甲基化修饰、染色质免疫沉淀和测序(ChIP-seq)分析。

结果3

Cpt1b缺失增加CMs中的αKG水平

在Cpt1bcKO CMs中，长链脂肪酸的利用被有效抑制。此外，靶向代谢组分析显示，来自中链和长链脂肪酸的酰基肉碱水平在cpt1b缺失的CMs中显著降低，而胞内游离肉碱水平显著升高，这表明在没有FAO的情况下，CMs使用不同形式的能量生产。同样， cpt1b缺陷心脏分支链氨基酸(BCAA)分解代谢产物水平显著升高。因此，在cpt1b缺陷的CMs中，葡萄糖氧化和BCAA分解代谢的增强可以有效地补偿脂肪酸代谢通量受损。

Cpt1b失活后，CMs中αKG显著增加近20倍。此外，在cpt1b缺陷的CMs中，尽管OGDH复合物的蛋白浓度增加，但将αKG脱氢酶复合物转化为琥珀酰辅酶a的关键组分OGDH的酶活性降低。OGDH酶活性的降低很可能是由于BCAA分解代谢的中间代谢物的抑制作用引起的，而在Cpt1b突变体中，中间代谢物的水平增加。

结论3

在阻断FAO后，CMs中αKG的积累是由合成升高和代谢降低协同作用的结果。

结果4

CM同型基因中H3K4me3减少

不同组蛋白赖氨酸甲基化修饰的结果显示，仅H3K4me3水平降低。相比之下，异染色质标记物如H3K9me3、H3K27me3和H4K20me2的水平在Cpt1b失活后显著增加，这可能是由于与CMs转向更不成熟状态相关的次级效应。ChIP-seq数据集的综合分析表明，H3K4me3峰减少的基因中，有31.6%(151)的基因受到转录抑制。ChIP-qPCR表明H3K4me3的富集在与CM成熟相关的基因中广泛减少。

结论4

αKG的积累激活H3K4me3特异性去甲基化酶，该酶随后清除心脏分化和成熟所需基因中的H3K4me3，从而将cpt1b缺陷的CMs转化为更不成熟、增殖能力更强的状态。

结果5

活化的KDM5刺激增殖

作者用细胞渗透性αKG对新生儿CMs进行4天的治疗，观察到增殖性CMs显著增加，表明在αkg处理的细胞中，与细胞分裂相关的基因富集。此外，主要在胎儿和新生儿阶段表达的基因Nppa，Nppb，Acta1和Myh7的表达水平显著升高，而与CM成熟和分化相关的基因表达水平降低。

KDM5抑制剂CPI-455对αKG依赖效应的药理抑制表明，αKG对染色质和基因表达的影响是通过KDM5基因家族成员介导的。当与αKG联合处理时，Kdm5b显著降低H3K4me3水平，显著增加CM细胞周期活性。Kdm5b敲低可有效拮抗αKG的促增殖作用，完全恢复αKG处理降低的H3K4me3水平，从而增加与CM成熟相关的关键基因的表达。

结论5

Cpt1b失活引起的αKG积累激活KDM5，从而使CMs恢复到更不成熟的状态。