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供稿
中国生物物理学会代谢生物学分会
中国生物物理学会代谢生物学分会举办的线上论坛“代谢鸿论”第讲很荣幸邀请到了来自美国德克萨斯州立大学西南医学中心JosephA.Hill教授作为主讲人，进行题为“Meta-inflammatoryMechanismsofHFpEF”的报告。下面，我们将对本次论坛的精彩内容进行回顾。
主讲人简介
JosephA.Hill教授是美国德克萨斯州立大学西南医学中心心内科及分子生物学系教授，担任心内科以及HarryS.Moss心脏中心主任。Hill教授担任诸多著名杂志主编/编委及审稿人，包括《Circulation》，《CirculationResearch》，《AmericanMedicalAssociation》，《AmericanJournalofCardiology》等。其课题组的研究重点为心肌肥厚及心力衰竭中心脏结构、功能以及电生理重构的分子机制。
论坛回顾
射血分数保留型心力衰竭(heartfailurewithpreservedinjectionfraction,HFpEF)目前已成为全球范围内心力衰竭的主要形式,且尚缺乏有效的治疗方案。HFpEF患者多包含各种合并症，如肥胖、糖尿病、高血压等，由于HFpEF疾病复杂程度较高，难以转化为理想的动物模型，导致其病理生理学机制尚不完全清楚。
1、HFpEF动物模型构建
Dr.Hill首先介绍了其课题组基于压力应激（高血压）及代谢应激（肥胖、糖尿病）构建的“Two-hit”小鼠模型，雄性C57BL/6N小鼠同时给予高脂饮食（Highfatdiet，HFD，60%脂肪）及L-NAME饮水处理5周，HFD诱导小鼠体重增加及糖耐量异常，L-NAME诱导小鼠高血压。超声心动图结果显示HFD及L-NAME共同处理后，小鼠心脏射血分数（ejectionfraction，EF%）无明显改变，但出现舒张功能障碍，表现为左心室整体纵向应变降低，E/A与E/E’比值明显升高，且出现左心室充盈压升高。此外，HFD及L-NAME共同处理还诱导了小鼠运动耐量障碍及肺充血。在心脏结构方面检测显示，HFD及L-NAME共同处理诱导小鼠心脏肥大及心肌纤维化，并且分离小鼠心肌细胞发现HFD及L-NAME共同处理诱导心肌细胞收缩速度明显降低，舒张受损。上述数据表明HFD及L-NAME共同处理引起的小鼠心脏结构和功能方面的改变符合HFpEF临床患者的特征。
2、iNOS依赖的IRE1α-XBP1信号通路抑制在HFpEF心脏内皮炎症中的作用
研究发现，在HFpEF患者中发生未折叠蛋白反应（unfoldedproteinresponse）——这是一种进化保守的适应性反应[1]。IRE1α-XBP1信号轴是UPR最保守的分支，然而，IRE1α-XBP1信号通路在HFpEF中的作用尚不清楚。Dr.Hill发现在HFpEF小鼠中UPR反应的传感器以及效应器均被激活，并且出现了Xbp1s水平降低以及IRE1α磷酸化水平降低，并且这种IRE1α磷酸化活性降低及Xbp1s水平仅发生在HFpEF患者和小鼠中，而非HFrEF。此外，心肌细胞过表达Xbp1s改善了HFpEF小鼠表型。
目前，HFpEF病理生理学普遍认为合并症主要是通过内皮炎症反应驱动心脏重塑[2]。全身炎症状态通过降低冠状动脉内皮NOS（eNOS）活性进而限制心肌细胞的NO生物利用度。L-NAME诱导的心血管系统事件与iNOS上调有关，在此HFpEF小鼠模型中，L-NAME作为一种内皮功能障碍型高血压的驱动因素。此外，HFD也会诱导啮齿类动物iNOS表达上调。Dr.Hill发现HFD与L-NAME共同处理引发了一种全身系统性的炎症反应，且出现了iNos水平增加。iNOS活性升高和亚硝基化应激促进多种蛋白质中半胱氨酸残基的s-亚硝基化[3]。在病理性肥胖小鼠肝脏中存在iNOS依赖的IRE1α亚硝基化，抑制其内切酶活性致Xbp1s减少[4]。Dr.Hill发现在HFD与L-NAME共同处理的小鼠心脏组织中出现了IRE1α的s-亚硝基化，心肌细胞过表达iNOS也增加了总蛋白以及IRE1α的s-亚硝基化，并且与Xbp1s转录水平降低相关。以上结果表明iNOS通过增加IRE1α的s-亚硝基化调节IRE1α活性，从而减少心肌细胞中Xbp1的生成。为了证实iNOS对IRE1α-XBP1轴依赖性抑制在HFpEF发生发展中的作用，Dr.Hill构建了Nos2基因特异性敲除小鼠，发现iNOS抑制改善小鼠HFpEF表型，恢复了HFpEf诱导的Xbp1s和Xbp1转录抑制及IRE1α磷酸化，并且显著降低了IRE1α的s-亚硝基化。以上结果说明，iNOS依赖的IRE1α-XBP1通路失调是诱导HFpEF中心肌细胞功能障碍的重要机制。
3、XBP1s-STUB1-FOXO1泛素化信号通路在调节HFpEF心脏代谢中的作用
Dr.Hill在接下来的实验中探究IRE1α-XBP1轴如何通过调节心肌细胞以及心脏代谢改善HFpEF表型，其研究发现心肌细胞特异性过表达Xbp1s减轻了HFpEF小鼠心脏中的脂质积累。在以往的肝脏研究中显示Xbp1s通过调节FoxO1活性调节肝脏代谢[5]，并且FoxO1在调节脂质稳态中发挥重要作用[6]。基于此，Dr.Hill假设FoxO1转录因子可以与Xbp1s在心脏组织中发生相互作用。其研究发现，在HFpEF小鼠心脏组织及心肌细胞核中FoxO1核定位表达明显增加，并且FoxO1下游靶基因mRNA水平增加。Dr.Hill还发现，过表达Xbp1s对FoxO1转录水平无明显差异，但是促进了FoxO1蛋白降解，明显降低了FoxO1蛋白水平。FoxO1通过依赖于多种E3泛素连接酶的泛素化降解调节蛋白水平[7]。Dr.Hill在E3泛素连接酶STUB1启动子区域识别出一个Xbp1的结合位点，在转染Stub1的荧光素酶载体中转染Xbp1导致荧光素酶活性呈现浓度依赖性增加，ChIP实验证明了Xbp1与STUB1启动子区域的结合。在NRVM中过表达Xbp1发现STUB1的蛋白和mRNA水平均增加，并且在Xbp1s过表达心脏组织中也发现STUB1水平增加。此外，在HFpEF小鼠心脏中STUB1mRNA水平明显降低，这与Xbp1水平一致。Dr.Hill还发现在心肌细胞特异性FoxO1敲除小鼠中，HFpEF表型被改善，心脏脂质沉积减少。
4、性别在HFpEF中的作用
既往研究普遍认为在射血分数保留型心力衰竭中，女性患者占大多数[8]。Dr.Hill在HFD与L-NAME共同处理的小鼠模型中探究了性别差异对HFpEF发病率的影响。HFpEF短期（5周）以及长期（15周）处理后，雌性和雄性小鼠出现了相似的肥胖，糖耐量受损以及高血压。超声心动图显示雌性小鼠较雄性小鼠相比，表现出了较小的E/E’增加，以及心脏质量及左心室重塑指数变化不显著。此外，HFpEF雌性小鼠较雄性小鼠相比，心脏组织纤维化及心肌细胞肥大程度明显较低。老年妇女的HFpEF高发生率被认为是由于低雌激素水平导致，为了探究雌激素在HFpEF小鼠中的作用，Dr.Hill对HFpEF处理15周的小鼠分别进行了卵巢切除及假手术，结果发现，与假手术组相比，切除卵巢的雌性小鼠心脏质量及舒张功能相似。以上结果说明，与传统观念相反，雌性在HFpEF中具有保护作用。
5、AMPK信号通路受损促进HFpEF相关的房颤
HFpEF患者易发房颤，并且房颤可作为HFpEF住院、死亡风险增加的独立危险因素[9]。Dr.Hill在HFpEF小鼠中探究了HFpEF与房颤之间的关系。结果发现，HFpEF小鼠与对照组小鼠相比，房颤高度易感并且发作持续时间明显延长。超声心动图也显示在HFpEF小鼠中观察到了显著的左心房增大及左心房收缩受损。Masson染色及天狼星红染色结果显示HFpEF小鼠左心房并无明显的纤维化增加，但是左心室纤维化程度中度增加。上述结果说明左心房纤维化不太可能是HFpEF中房颤易感的因素。LKB1-AMPK信号通路在维持心房结构和功能具有重要作用[10]，HFpEF小鼠心脏组织中p-AMPK水平明显低于对照组小鼠。在用二甲双胍（AMPK激动剂）处理HFpEF小鼠后，Dr.Hill观察到房颤的易感性及持续时间均显著降低。以上结果说明HFpEF小鼠易发房颤，AMPK信号通路受损可能在HFpEF相关的房颤中具有重要作用，而心房纤维化非主要因素。
6、HFpEF小鼠心脏组织中线粒体受损
线粒体功能障碍是代谢障碍的标志[11]，Dr.Hill在HFpEF小鼠中探究心脏线粒体功能障碍对HFpEF发病的影响。电镜结果显示，HFpEF小鼠心脏线粒体发生显著改变，表现为线粒体排列紊乱，线粒体嵴肿大。Dr.Hill还确定了在HFpEF心脏中，谷氨酸启动的复合体I和琥珀酸启动的复合体II呼吸都没有变化，但是棕榈酰肉碱和丙酮酸启动的呼吸显著减少。以上结果说明在HFpEF小鼠心脏组织中三羧酸(TCA)循环和线粒体电子传递链（electrontransportchain，ETC）功能正常，但是上游丙酮酸和脂肪酸代谢存在缺陷。
最后Dr.Hill对整个汇报进行了总结：基于压力应激（高血压）及代谢应激（肥胖、糖尿病）成功构建了HFpEF小鼠模型，并且发现在HFpEF患者及小鼠中均出现一种未折叠蛋白反应效应因子Xbp1剪切形式表达降低，这种减少是由于iNOS活性增加以及其诱导的IRE1α的亚硝基化所引起的。在代谢研究方面，发现HFpEF小鼠脂质沉积增加以及FoxO1活性增加，Xbp1s通过转录激活STUB1诱导FoxO1泛素化及蛋白酶体降解。此外，HFpEF小鼠还存在线粒体功能障碍以及房颤，并且女性在HFpEF小鼠中发挥保护作用。
总之，对野生型小鼠进行压力应激（高血压）及代谢应激（肥胖、糖尿病）共同处理成功构建了符合HFpEF患者特征的动物模型，iNOS依赖的IRE1α-XBP1促进了HFpEF小鼠心脏中的内皮炎症反应，XBP1-STUB1通路抑制增加了FoxO1活性，从而促进了HFpEF小鼠心脏中的脂质积累。此外，HFpEF小鼠还存在线粒体功能障碍以及房颤，并且女性在HFpEF小鼠中发挥保护作用。
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参考文献
1.WangZV,HillJA.Proteinqualitycontrolandmetabolism:bidirectionalcontrolintheheart.CellMetab.;21:-.
2.PaulusWJ,TschopeC.Anovelparadigmforheartfailurewithpreservedejectionfraction:
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