Nature communications:KLF7PFKLACADL轴调节雄性小鼠心脏肥大期间的心脏代谢重塑

原文题目：The KLF7/PFKL/ACADL axis modulates cardiac metabolic remodelling during cardiac hypertrophy in male mice

通讯作者：Weiming Tian

隶属单位：哈尔滨工业大学生命科学与技术学院

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36712-9

肥厚型心肌病 （HCM） 是最常见的心肌病形式，每 1 人中至少有 500 人受到影响，也是儿童和成人心源性猝死的主要原因。心脏肥大和肥大进展为心力衰竭（HF）是发病和死亡的主要原因，成人的5年生存率为50%，甚至超过许多癌症。尽管成人和儿童心肌病表现出相似的形态和临床表现，但其结局差异显著。在HCM中，20%的婴儿和4%的年龄较大的HCM患儿出现显性HF，HCM婴儿的两年死亡率为30%，而死亡在年龄较大的儿童中很少见。代谢紊乱和线粒体功能障碍是婴儿和成人HCM的两个主要原因。在胎儿中，心脏位于低氧环境中，因此高度依赖糖酵解（44%）作为ATP生成途径，脂肪酸氧化（FAO）仅占心肌ATP总产生的一小部分（13%）。线粒体粮农组织（70-90%）是成人心脏心肌细胞的主要能量来源，糖酵解（5%）占很小的比例9，10。底物偏好在整个生命周期中以及在生理和病理压力下发生变化。心肌基质偏好的改变在短期内有益于维持能量供应;然而，从长远来看，它们可能会变得有害并导致不良的心脏功能。葡萄糖与心脏中脂肪酸代谢之间密切相关的分子机制仍然知之甚少。

图1：PFKL和ACADL是KLF7在心脏代谢途径中的直接靶标。

心脏粮农组织酶表达在心室压超负荷的小鼠模型中被显示协调下调，这激活了胎儿心脏基因程序，导致心肌对糖酵解途径的心肌利用率增加，以产生高能量磷酸盐。代谢胎儿基因程序的再激活可能对心功能不全和最终进展为HF产生不良后果。此外，扩张型心肌病（DCM）患者心肌脂肪酸和葡萄糖代谢的变化与HF动物模型中观察到的变化相似。与年龄匹配对照中的表达相比，失败的人左心室在蛋白质和mRNA水平上表现出中链酰基辅酶A脱氢酶（MCAD）和40-OH长链酰基辅酶A脱氢酶（LCHAD）的协调下调（>3%）。在自发性高血压心力衰竭（SHHF）大鼠中，与左心室肥厚和HF阶段的对照组相比，FAO酶mRNA水平下调（>70%），表明基因调控程序负责心肌能量底物利用的改变。基因表达程序由数千种转录因子控制，代谢功能的转录调节已被证明高度依赖于这些转录因子。众所周知，某些转录因子的功能丧失突变会导致各种心血管缺陷。更重要的是，越来越多的证据表明，过氧化物酶体增殖激活受体（PPAR）调节编码蛋白质的基因，这些蛋白质控制代谢稳态和心脏心肌细胞酶促机制的切换，从而影响病理性HF。克鲁佩尔样因子（KLF）是锌指类转录调节因子的一个亚家族。该基因家族的成员已被证明在心脏肥大和心脏代谢中起重要作用。以前的工作已经强调了KLF15缺陷小鼠在压力超负荷下发展为严重的心脏肥大和心力衰竭，KLF15是心肌脂质通量和全身代谢稳态的直接和独立的调节剂。同样，KLF10缺乏导致16月龄小鼠自发性病理性心脏肥大。KLF5被证明是心脏肥大和纤维化的介质。一组研究表明，KLF4在体内心脏肥大发展过程中重新激活了胎儿心脏基因，KLF4作为心脏代谢功能和线粒体生命周期转录控制的核心。KLF7，克鲁佩尔样转录因子家族的成员，是神经系统发育和脂肪形成的关键因素，还参与肌肉再生和造血形成。越来越多的证据表明，KLF7与人类肥胖、II型糖尿病和心血管疾病有关，KLF7是调节冠状动脉疾病相关通路的五种特定核心转录因子之一。然而，其在调节心肌病或心脏代谢中的作用尚未得到解决。研究人员的研究表明，KLF7可以直接靶向心脏葡萄糖和脂肪酸代谢的关键酶，而不受PPAR的调节功能的影响。

图2：PFKL/ACADL轴抑制Klf7敲低诱导的心肌细胞肥大生长。

在这项研究中，研究人员揭示了KLF7在病理性心脏肥大和心脏代谢中的关键转录作用。研究人员确定了用于糖酵解的限速酶PFKL和FAO的关键酶ACADL作为心肌细胞中KLF7的直接靶标。KLF7可同时激活和抑制ACADL和PFKL的表达，介导心脏肥大的病理进展。此外，PFKL的过表达和ACADL的敲低均导致心肌细胞肥大，提示糖酵解和FAO中关键酶的表达可直接诱导心肌细胞肥大，为进一步验证上述细胞结果，研究人员生成了心脏特异性KLF7功能丧失和获得小鼠，探讨KLF7在不同生命周期下病理性心脏重塑中的作用和机制。KLF7小鼠心脏特异性功能丧失在成年期自发发展为严重的同心肥大，导致HF。KLF7功能获得小鼠在婴儿期出现严重的离心性肥大和心功能不全。总之，这些数据表明KLF7 / PFKL / ACADL代谢轴是肥大和衰竭心脏的关键调节机制。

研究人员已经表明，敲除或过表达Klf7可以通过扰乱心脏代谢平衡来诱导心脏肥大和HF，并作为代谢分子开关来抑制和激活参与心脏糖酵解和FAO的基因。先前的证据表明，PPAR主要是心脏脂质代谢的主开关;因此，PPAR现在被认为是开发代谢综合征治疗策略的有吸引力的靶标。KLF15是PPARα诱导对心脏脂质氧化至关重要的靶基因亚群表达的能力所必需的。KLF5共同调节PPAR-δ，作为粮农组织计划的分子开关。在这里，研究人员发现KLF7可以直接靶向糖酵解和脂肪酸代谢中关键酶的表达，而与PPAR的功能无关，从而影响心脏代谢平衡。

图3：成人心脏特异性敲除Klf7干扰糖酵解和FAO。

一项研究表明，糖酵解通量通过增加肥厚心脏中激活剂的激活剂浓度和葡萄糖转运来激活 PFK-1。此外，另一项研究表明，运动通过PFK-1磷酸化增加糖酵解，促进生理性心脏肥大。然而，PFKL表达与心脏肥大之间的直接相关性尚不清楚。在这里，研究人员的研究结果表明，PFKL在心脏肥大模型中在体内和体外被诱导。然后，研究人员证明心脏中PFKL的慢性持续诱导通过激活糖酵解直接驱动心脏肥大。此外，心脏特异性PFKL敲低改善了KO小鼠心脏肥大的病理表型。因此，PFKL表达持续升高可能是病理性心脏重塑的机制。使用体外和体内肥大模型，研究人员发现在肥大生长期间心肌细胞的ACADL水平显着降低。这一发现与先前的研究一致，这些研究表明，粮农组织的表达水平低，并且与肥大和胎儿心脏中调节酶的表达降低有关。支持研究人员的发现，一项早期研究显示HF中ACADL降低。还发现缺乏ACADL的小鼠发生代谢性心肌病，表现为心脏肥大。研究人员的研究结果表明，KLF7 / PFKL / ACADL信号已被证明是心脏FAO和糖酵解的重要过程，导致心脏肥大和HF。然而，以前的工作集中在心脏中脂肪酸或葡萄糖的相对氧化上。研究人员的目标是维持由参与糖酵解和FAO的酶调节的整体心脏ATP产生的平衡。研究人员所揭示的调节模式将对理解心肌肥大的病理过程产生有益的影响。尽管研究人员在本研究中专注于PFKL和ACADL，但很可能其他基因的表达也受到涉及KLF7的转录程序的控制，以诱导心脏肥大。

图4：KO小鼠显示心脏肥大和HF。

尽管肥大和慢性心衰期间心脏代谢的变化有据可查，但这些变化通常被视为代偿性或仅仅是巧合现象，而不是心肌病的原因。 因此，几十年来，心肌代谢改变的偶然作用问题一直存在争议。几条证据表明，心肌燃料利用率的变化是肥厚生长反应和随后重塑的早期事件。此外，许多研究发现，抑制糖酵解和/或刺激粮农组织可以缓解心脏肥大或HF的病理重塑。ACC2的心脏特异性缺失导致心脏粮农组织率高，可防止心脏肥大的发展。黄芪甲苷静脉注射将糖酵解转为FAO并改善线粒体功能，这可能是一种抑制HF进展的心脏保护治疗。恩格列辛可减少糖酵解并重新平衡糖酵解和氧化磷酸化之间的偶联，以减轻不良心脏重塑和HF的进展。Serpina3c抑制糖酵解，为HF的治疗提供潜在的干预靶点。抑制AMP活化的激酶在体内阻止了糖酵解流动增强并挽救了心脏肥大。在这里，研究人员提供了直接证据，证明糖酵解和FAO的破坏是KO和TG小鼠收缩功能障碍的原因。研究人员证实KO和TG小鼠分别在成人和婴儿阶段干扰糖酵解和FAO中关键酶的表达，进而影响心脏糖酵解和FAO，导致心脏收缩功能障碍。因此，靶向代谢平衡可能为心脏肥大和心衰提供一种新的治疗策略。此外，在研究人员的研究中，研究人员在体外和体内都证明，敲低Pfkl和过表达Acadl分别通过抑制糖酵解和增强FAO部分缓解了敲低Klf7诱导的心脏肥厚生长的表型。了解代谢稳态的分子基础将为HF疗法的发展铺平道路。

图5：Klf7的心脏特异性过表达扰乱了婴儿小鼠糖酵解和FAO之间的平衡。

以下动物模型已被广泛用于研究病理性心脏过程。腺嘌呤核苷酸转运蛋白（ANT）缺陷小鼠表现出线粒体功能障碍和心脏肥大的表型。发现缺乏线粒体转录因子A（Tfam）的小鼠在新生儿期死亡，超长链乙酰辅酶A脱氢酶（VLCAD）缺陷小鼠出现脂质聚集和心肌纤维化。然而，这些目前可用的动物模型仅测试不平衡葡萄糖代谢或FAO的影响。婴儿或青少年心脏肥大的动物模型仍然缺乏。之前的一项研究证实，小鼠幼年内脏脂肪变性（全身性肉碱缺乏的遗传模型）导致线β粒体氧化紊乱，并导致明显的心脏肥大的发展。在这里，在基础条件下，KO和TG小鼠在心脏形态，心脏功能和参与心脏代谢的基因的表达谱方面与WT小鼠有区别。因此，KO和TG小鼠都可以作为自发性心脏肥大甚至HF的模型来研究这些相关代谢疾病从婴儿到成人阶段的病理进展。

图6：心肌细胞特异性过表达Klf7的小鼠表现出心脏肥大和心肌纤维化。

总之，该研究结果表明，KLF7是从婴儿到成人阶段代谢的独特调节因子，并作为分子开关，同时抑制和激活糖酵解和FAO中涉及的基因，KLF7可能是不同生命周期代谢综合征的有吸引力的治疗靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36712-9

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国自然专家八：

X教授，脂糖代谢实验室/重庆市重大代谢性疾病转化医学重点实验室，主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人；中国侨界(创新人才)贡献奖获得者；美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员；Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目3项（国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项），省部级课题2项；发表通讯作者SCI 论文5篇；获得中华医学会科研奖励1项；培养博士1人，硕士16人。疾病转化医学重点实验室，主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人；重庆市生物化学与分子药理学重点实验室PI、脂糖代谢实验室实验室执行主任。中国侨界(创新人才)贡献奖获得者；美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员；Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目3项（国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项）。

国自然专家九：

L教授，医院病理科主任、博士生导师、病理学科带头人；重庆市中青年骨干教师，霍英东青年教师奖获得者；USCAP会员，国际老年痴呆协会会员，中国神经科学学会会员，多个国内外期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目4项（国家自然科学基金面上项目3项、青年基金项目1项），省部级课题3项；发表通讯作者SCI 论文二十余篇；培养博士1人，硕士23人，曾作为访问学者、访问教授分别留学加拿大、美国。

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