Adv Sci 空军军医大学唐都医院李妍教授揭示Mfn2/Hsc70调控心肌线粒体-脂滴接触和脂肪酸代谢新机制

脂肪酸是心肌细胞最主要的能量来源，脂肪酸β-氧化为心肌细胞提供70-90%的ATP。心肌细胞中，脂肪酸主要存储在脂滴中，在细胞需要时运送至线粒体进行β-氧化分解供能。脂滴-线粒体结构和功能的紧密连接是心脏脂肪酸正常代谢的前提。然而，在心肌细胞中，何种分子介导了线粒体-脂滴的结构和功能连接尚不明确。此外，肥胖患者心肌组织中可观察到显著的脂滴异常堆积和脂肪酸代谢异常。线粒体-脂滴接触是否参与了肥胖患者心肌损伤的发生发展也未见报道。

2024年2月5日，空军军医大学唐都医院李妍教授团队在Advanced Science杂志在线发表了题为“Mfn2/Hsc70 complex mediates the formation of mitochondria-lipid droplets membrane contact and regulates myocardial lipid metabolism”的研究论文，首次报道了Mfn2/Hsc70介导的线粒体-脂滴相互作用在心肌脂肪酸氧化代谢和能量供给中的关键作用，并进一步揭示a了肥胖患者心肌脂毒性和心脏功能障碍的发生机制，为治疗肥胖相关心功能障碍提供了新思路。

首先，作者利用持续高脂饮食喂养诱导肥胖心肌损伤动物模型，发现随着高脂饮食喂养时间的延长，小鼠出现心肌脂质异常堆积和心脏功能损伤。同时，心肌组织线粒体-脂滴相互接触显著减少，伴随Mfn2表达量逐渐降低，且Mfn2表达量变化与线粒体-脂滴接触强度表现出很强的相关性。

为进一步明确Mfn2在心肌线粒体-脂滴接触和脂肪酸代谢中的作用，作者提取了原代心肌细胞，并应用Mfn2过表达/敲低腺病毒对细胞进行干预，利用Bodipy 558/568 C12活细胞染色标记脂肪酸，发现Mfn2过表达诱导心肌细胞内脂滴-线粒体接触增多，脂肪酸在线粒体大量分布。相反，Mfn2敲除导致脂滴-线粒体分离，脂肪酸大量聚集于脂滴。长时程荧光监测结果也表明，Mfn2过表达可直接诱导脂滴内脂肪酸向线粒体释放。以上结果表明，心肌细胞内，Mfn2参与了脂滴与线粒体相互接触和脂肪酸从脂滴向线粒体转运。

接下来，作者进一步探索了Mfn2介导脂滴-线粒体接触的分子生物学基础。作者首先进行IP实验富集了与Mfn2可能存在直接相互作用的蛋白，并分离提纯了脂滴蛋白，对二者进行对比分析。质谱检测结果提示，脂滴表面蛋白Hsc70与Mfn2存在直接相互作用。进一步正反IP实验、邻位连接技术和荧光染色共定位结果都证实了Mfn2/Hsc70的直接相互作用。原代心肌细胞敲低Hsc70阻断了Mfn2诱导的脂滴-线粒体接触和脂肪酸跨细胞器转运。

Mfn2在线粒体相关的多种细胞器相互作用中均发挥膜连接作用。其中，以线粒体-线粒体、线粒体-内质网相互作用最为普遍。为了研究Mfn2介导的线粒体-脂滴接触与其介导的其它细胞器相互作用是否共用同一蛋白序列，作者进一步揭示了Mfn2-Hsc70相互作用的准确肽段。片段敲除实验结果证实，Mfn2蛋白的649-693aa肽段与Hsc70直接相互作用，且该段肽段不能介导线粒体-线粒体接触和线粒体-内质网接触。该结果进一步证实，Mfn2促进心肌脂肪酸氧化不依赖于Mfn2所介导的线粒体融合以及线粒体-内质网接触。

为了进一步验证Mfn2/Hsc70介导的线粒体-脂滴接触在心肌脂肪酸代谢和肥胖相关心肌损伤中的作用，作者构建了条件诱导的心肌特异性Mfn2过表达/敲除小鼠，并给予高脂饮食喂养。结果发现，Mfn2敲除小鼠显示出严重的高脂饮食诱导的心肌病，相反，Mfn2心肌过表达缓解了高脂饮食诱导的心肌组织脂质堆积和心脏功能损伤。心肌腺相关病毒敲低Hsc70后，Mfn2介导的心脏保护作用消失。以上结果表明，干预Mfn2/Hsc70介导的心肌线粒体-脂滴接触能够抵抗高脂饮食诱导的心脏脂质代谢异常和功能障碍。

随后，作者探索了长期脂质高负荷引发心肌脂质代谢失代偿和脂毒性的原因。作者发现，在高脂饮食喂养的不同阶段，Mfn2的蛋白含量和mRNA水平呈现出显著的不匹配，表明Mfn2的含量受到了除转录之外的其它因素调控。进一步研究结果发现，长期脂质超负荷引发了Mfn2在K243位点的乙酰化进一步诱导了其泛素化降解。Mfn2泛素化降解导致其含量下降，引发心肌线粒体-脂滴分离和脂质利用障碍，最终引发了心脏功能从代偿向失代偿的转变。

最后，作者收集了BMI＞30 kg/m²患者(肥胖患者)及18.5 kg/m²＜BMI≤24.9 kg/m²人群(正常体重人群)的临床数据和心房肌样本。超声数据显示，与非肥胖人群相比，肥胖患者存在心脏收缩与舒张功能显著下降。心房肌样本检测结果显示，肥胖患者心肌组织中存在显著脂质堆积，脂滴与线粒体分离。Mfn2乙酰化水平、泛素化水平显著升高，表达量显著下调，与前述实验结论相一致。前述报道的Mfn2与Hsc70相互作用在人心肌组织中同样存在，进一步验证了本研究相关结论。

综上，本研究首次报道了心肌细胞中Mfn2/Hsc70介导了线粒体-脂滴接触，促进脂肪酸从脂滴转运进入线粒体氧化代谢，为心肌供能。肥胖患者心肌组织中，长期脂质超负荷引发了Mfn2乙酰化，并进一步诱导Mfn2泛素化降解，导致心肌组织脂质代谢障碍和脂毒性发生。本研究为干预肥胖相关心脏功能障碍提供了理论依据及潜在干预靶点，具有重要的临床转化意义及价值。

空军军医大学唐都医院李妍教授为主要通讯作者，基础医学院付锋副教授为共同通讯作者，胡朗讲师、住院医师唐代诗、亓秉超讲师为共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金(No. 82070385和No. 82070387)和唐都医院创新计划(No. 2019YXGJ003和No. 2019GJHZ003)的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307749