Redox Biol 南京医科大学第一附属医院心脏科邹建刚教授团队揭示Bmal1调控糖尿病心肌病的作用机制

糖尿病(DM)是日益严重的全球健康问题，心血管并发症是DM患者住院和死亡的主要原因。糖尿病心脏损伤表现为心脏肥大、心肌僵硬度增加、心肌纤维化和舒张功能障碍等，而收缩功能通常正常，称为糖尿病心肌病(DCM)。尽管已经发现DCM的发生发展与多种机制有关，包括氧化应激、能量代谢、炎症反应和凋亡增加等，但目前尚未完全清楚。

机体内几乎所有组织器官都存在生物钟，调控许多关键生物反应以适应内外环境变化。Bmal1是生物钟的核心基因之一，通过调节线粒体分裂融合、能量代谢和活性氧(ROS)产生等在高脂血症、动脉粥样硬化等疾病中发挥重要作用。然而在DCM中，Bmal1基因如何变化、其是否与DCM发生发展有关、以及可能的分子机制是什么，目前尚无报道。

2023年6月23日，南京医科大学第一附属医院心脏科邹建刚教授团队在Redox biology上发表了题为“Bmal1 downregulation leads to diabetic cardiomyopathy by promoting Bcl2/IP3R-mediated mitochondrial Ca²⁺ overload”的研究论文，揭示了心脏生物钟基因Bmal1调控线粒体Ca²⁺超载在DCM中的作用和分子机制，为DCM的治疗提供了新的思路和靶点。

首先，研究者发现，在T2D小鼠心脏中，Bmal1基因表达明显下降，节律消失。接着，研究者构建了心脏Bmal1基因特异性敲除小鼠(CKB)，并使用AAV在T2D小鼠心脏中过表达Bmal1，以明确Bmal1变化在DCM发生发展中的作用。结果发现，CKB组及T2D+AAV-Ctrl组小鼠心肌细胞肥大，伴有明显纤维化，舒张功能下降，而在T2D小鼠心脏中过表达Bmal1可以明显缓解上述病理变化。此外，在CKB组及T2D+AAV-Ctrl组，Bmal1下降明显增加线粒体损伤及内源性细胞凋亡，而在T2D+AAV-Bmal1组，过表达Bmal1明显抑制内源性细胞凋亡，改善了线粒体状态。

接下来，细胞实验结果显示，Bmal1下降导致细胞内线粒体介导的内源性细胞凋亡明显增加，线粒体肿胀空泡化，线粒体ROS生成增多，膜电势显著下降，在高糖高脂(HGHP)条件下过表达Bmal1可改善上述线粒体损伤及细胞凋亡情况。通过体外实验研究者进一步发现，Bmal1降低明显增加H9c2细胞内线粒体Ca²⁺浓度及线粒体内质网偶联结构(MAMs)的形成，过表达Bmal1可降低线粒体Ca²⁺浓度，抑制MAMs的形成。

为了进一步探索机制，研究者检测了MAMs区域内与钙离子转运密切相关的蛋白及调控蛋白。通过Co-IP及ChIP等一系列分子实验证明，Bcl2可通过直接与IP3R结合抑制其通道活性，且Bmal1可以直接结合于Bcl2启动子区域的E-box元件，调控其转录。在T2D情况下，Bmal1明显下降，受调控的Bcl2基因转录减少，导致Bcl2对IP3R通道活性的抑制作用减低，过多的钙离子通过MAMs释放至线粒体导致钙超载。接下来，研究者进一步使用BIRD-2(一种特异性的Bcl2/IP3R结合阻断剂)明确了Bmal1通过Bcl2/IP3R在DCM发生发展中的调控作用。

综上所述，该研究发现在T2D情况下，心脏中Bmal1基因表达明显下降，受调控的Bcl2基因转录减少，导致Bcl2对IP3R通道活性的抑制作用减低，过多的Ca²⁺通过MAMs释放至线粒体。线粒体Ca²⁺超载导致线粒体ROS生成、形态损伤和膜电位崩解，Cyt-C和Smac等促凋亡因子通过线粒体通透性转换孔漏至胞质，激活细胞凋亡，最终导致DCM。这些发现阐明了心脏生物钟基因Bmal1在糖尿病心肌病发生发展中的作用及机制，为该疾病的防治提供新的思路和潜在靶点。

南京医科大学第一附属医院张南南博士、俞灏硕士(现均为苏州市立医院北区医师)为该研究的共同第一作者，南京医科大学附属第一医院邹建刚教授为该研究的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、苏州市科技计划项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102788