Circulation 武汉大学人民医院唐其柱教授团队发现糖尿病心肌线粒体形态功能缺陷和脂质代谢改变的新机制

糖尿病的患病率在全球范围内迅速增加，糖尿病患者容易发展成糖尿病心肌病(Diabetic Cardiomyopathy, DCM)，表现为心功能障碍和心力衰竭。糖尿病诱导的心功能障碍与高血压、冠状动脉疾病和瓣膜性心脏病无关，其特征是糖尿病相关炎症、葡萄糖和脂质代谢失调以及线粒体损伤引起的心肌结构和功能异常。常规药物无法纠正糖尿病心肌病的进展，而预防糖尿病心脏代谢紊乱和线粒体功能障碍的有效策略可能为糖尿病心肌病提供新的治疗选择。

线粒体的分裂和融合(Mitochondrial fission and fusion)与线粒体功能密切相关。既往研究表明，促进线粒体融合能够改善线粒体功能障碍，减弱病理性心脏进展。PPARs是调节脂质和葡萄糖代谢以及能量稳态相关基因表达的重要转录因子，它的激活能促进线粒体脂肪酸氧化。泛素化作为蛋白质的翻译后修饰的方式之一，在调节细胞内蛋白质稳态和酶活性中起着重要作用。去泛素化酶能够消除E3连接酶活性从而移除多肽上的泛素，是调节泛素化的重要分子。有研究表明，一些去泛素化酶在心肌重构中发挥重要作用。然而，关于去泛素化酶是否参与糖尿病心脏病理性心肌重构的进展，以及能否调控线粒体分裂、融合和糖脂代谢，我们对此知之甚少。

2023年11月23日, 武汉大学人民医院唐其柱教授团队在Circulation杂志上发表题为“USP28 Serves as a Key Suppressor of Mitochondrial Morphofunctional Defects and Cardiac Dysfunction in the Diabetic Heart”的研究论文。该研究首次揭示去泛素化酶USP28调节线粒体稳态的新机制，涉及PPARα-Mfn2信号调控轴，USP28的UCH结构域直接与PPARα的DNA结合结构域(DBD)片段结合，从而促进PPARα的152位点赖氨酸的去泛素化，稳定PPARα以促进心肌细胞中Mfn2转录，从而引起线粒体融合增加和线粒体功能改善。该研究证实USP28改善糖尿病心脏线粒体形态功能缺陷并调节心肌脂质积累，明显减轻了糖尿病诱导的心功能障碍和病理性心肌重构。

首先，研究人员使用db/db瘦素受体缺陷小鼠建立糖尿病心肌病的小鼠模型。通过小鼠心肌转录组测序发现，差异表达基因富集在泛素介导的蛋白水解途径，具体分析了去泛素化酶的差异表达基因，其中USP28的下调在糖尿病心脏中最显著。进一步的研究表明，USP28在糖尿病小鼠心肌组织中表达显著下降，尤其是在心肌细胞中。该研究还使用了人类心肌样本，发现糖尿病患者心肌组织中USP28的表达显著降低，并且心肌USP28表达与患者心力衰竭严重程度呈负相关。研究人员使用高糖和棕榈酸的共同刺激(HG+PA)模拟糖尿病患者体内高血糖和高血脂的环境。在HG+PA刺激下，新生大鼠心室肌细胞(NRVM)和人诱导性多能干细胞来源的心肌细胞(hiPSC-CM)中的USP28蛋白水平均显著下降。

接着，为了探究USP28在糖尿病心肌病中的作用，研究人员通过尾静脉注射rAAV9-cTnT-USP28到小鼠体内，从而实现小鼠心肌细胞特异性过表达USP28蛋白。实验结果表明，恢复心肌细胞中USP28蛋白水平能显著改善糖尿病诱导的心脏收缩和舒张功能障碍，减轻心肌肥厚、心肌纤维化和病理性心肌重构。

为了探索USP28改善糖尿病心脏心肌重构和心功能障碍的机制，研究人员对 rAAV9-USP28处理的糖尿病小鼠的心肌组织进行了转录组测序分析，结果表明差异表达基因主要富集在代谢和线粒体过程。接着，研究人员对心脏组织中的脂质含量和线粒体形态进行评估，结果表明USP28过表达显著抑制了糖尿病心脏中心肌组织脂质聚集，改善了线粒体形态和功能缺陷。

机制方面，研究人员运用人诱导性多功能干细胞分化的心肌细胞和新生大鼠心肌细胞构建离体糖尿病细胞模型，利用免疫共沉淀联合质谱检测，发现USP28的UCH结构域与PPARα的DBD结构域直接互作，同时USP28介导 PPARα的152位点赖氨酸去泛素化修饰，稳定细胞核内PPARα的含量，进而促进PPARα对线粒体融合蛋白Mfn2的转录激活作用，最终维持心肌细胞内线粒体的动力学稳态，发挥对糖尿病小鼠的心脏保护作用。为了证实上述分子信号转导，研究人员利用PPARα基因敲除小鼠与db/db小鼠杂交，随后采用腺相关病毒介导的心肌细胞特异性USP28过表达在体注射，发现USP28对糖尿病心肌的损伤作用依赖于PPARα-Mfn2信号轴转录激活。

本研究由武汉大学人民医院唐其柱团队完成，博士生谢赛阳、临床八年制博士生刘士强和硕士生张彤为本文共同第一作者，武汉大学人民医院唐其柱教授为本文独立通讯作者。本研究受到重点研发计划、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、武汉市科技计划项目以及中央高校基本科研业务费专项资金项目的资助。

原文链接：

https://www.ahajournals.org/doi/abs/10.1161/CIRCULATIONAHA.123.065603