分析测试百科网 > 行业资讯 > 微信文章

Circulation | 转录-代谢-脂质：多组学研究描绘肥厚型心肌病的病理图谱

鹿明生物

2022.3.11

前言

2021年11月，美国斯坦福大学Daniel Bernstein教授课题组在Circulation期刊发表的题为 “Altered Cardiac Energetics and Mitochondrial Dysfunction in Hypertrophic Cardiomyopathy”的研究成果，通过多组学研究（代谢组学、脂质组学、转录组学）方法，发现了肥厚型心肌病的代谢信号紊乱和线粒体功能障碍特征，探究了肥厚型心肌病的发病机理，描绘了肥厚型心肌病的病理图谱。为确定肥厚型心肌病的病理机制及新药物靶点提供了理论依据。

中文标题：肥厚型心肌病的心脏能量改变和线粒体功能障碍研究

研究对象：人心肌组织

发表期刊：Circulation

影响因子：29.690

发表时间：2021年11月

合作单位：美国斯坦福大学

运用生物技术：代谢组学、脂质组学、转录组学

背景介绍

肥厚型心肌病(HCM)是一种复杂的疾病，部分原因是基因变异导致对肌节蛋白生物力学产生了影响。细胞水平研究，肥厚型心肌病突变的增强导致对能量的需求更高。尽管在阐明肌节结构-功能关系方面取得了重大进展，但关于改变的心脏能量与HCM表型之间的联系机制，仍有待了解。

本篇研究检验了一种常见病理生理通路的假设—HCM心脏能量学的变化。

研究思路

研究方法

1. 实验分组

（1）捐献组：13人（心肌组织取自心脏移植供体无心脏病史）；

（2）二尖瓣狭窄组：2人（原发性二尖瓣狭窄）；

（3）疾病组：27人（左室间隔肌切除术HCM患者）；

2.统计分析

（1）数据显示为平均值±SD或SE。S-t检验和Wilcoxon Mann–Whitney U检验P<0.05是显著的。

（2）组学数据分析：Mann-Whitney U检验、Benjamini–Hochberg（BH法）、双侧Welch t检验、Wald检验。皮尔逊相关系数使用pandas 和SciPy进行线性回归分析。

3.技术路线

3.1.组织学分析：心肌细胞肥大、坏死间质胶原、组织纤维化程度、纤维化基因

3.2组学分析方法：代谢组学、脂质组学、转录组学

3.3代谢和脂质分析方法：非靶向和靶向质谱法

3.4基因表达：RNA测序

3.5其它方法：磁共振成像技术、电子断层扫描、Western-blot、透射电子显微镜分析

研究结果

多组学揭示能量受损

HCM代谢降解分子途径水平分析用于确定失调的途径。途径富集揭示了所有代谢途径的显著改变，表明能量代谢的存在（图1C）。代谢网络图上绘制了主要代谢变化（图1D），显示了关键代谢酶及其相关代谢物或脂质转录的一致性变化。脂质组学和代谢组学研究，观察到显著增加的游离脂肪酸浓度（图1D和图2）。HCM心肌显示心肌收缩率降低，其中长链酰基肌醇（>C14）受影响最大（图1D和图2C）。线粒体膜运输酰基肌醇有关基因的运输因素减少（图1D和图2B）。除了脂质的变化外，HCM中的碳水化合物代谢也显著降低（图1D和图2 ）。TCA循环中间产物及其相关基因均降低（图1D、图2B、和图2F）。

图1 | HCM研究设计和分子图谱

图２| HCM代谢失调

HCM与线粒体超微结构和功能受损有关

纤维间线粒体的一个子集因无序而肿胀降低嵴密度（图3A）。量化嵴密度的变化证实了嵴严重受损的线粒体百分比（图3B-3D）。高分辨率的图像同一样本中单个线粒体之间嵴密度的差异（图3E）与异质线粒体损伤一致。形态学变化与关键基因下调相关线粒体膜组织，呼吸链复杂的组装和嵴形成有关（图3F）。

通过Oroboros血氧仪测量的复合物V氧化磷酸化能力降低（图4A和图4B）与发现的ATP和ADP含量降低的结果一致。复合物II和V的活性以及几种线粒体复合物成分的转录水平也显著降低（图4C）。此外，解偶联蛋白2显著上调（图4D），磷酸化AMPK显著增加（图4E-4G）。这些数据表明，代谢需求和活化增加AMPK在HCM心脏中表达的降低，能量供应减少归因于线粒体功能障碍。

图3| HCM中的线粒体损伤

图４| HCM线粒体呼吸功能和能力

线粒体损伤与活性氧增加有关

研究HCM线粒体结构损伤的机制，活性氧对线粒体脂质的影响膜和线粒体DNA。4-羟基壬烯醛的修饰蛋白显著升高（图5A）。通过非目标液相色谱-质谱脂质组学测量LO3在内的各种心磷脂种类的减少。

L2O2、L2O及L4的下降（图5B）。HCM中线粒体与基因组DNA的比率降低（图5C），同时与线粒体DNA完整性和线粒体转录和翻译相关的基因表达降低（图5C）。代谢组学数据显示，主要的抗氧化剂谷胱甘肽（图5D和5E），包括SOD在内的其他关键抗氧化剂水平均为阳性减少。谷胱甘肽过氧化物酶可显著减少过氧化氢和脂质过氧化物（图5F）。结果表明，氧化应激增加可归因于活性氧升高。

图5| HCM氧化损伤增加

图6| HCM线粒体改变

相关讨论

肥厚型心肌病(HCM)的全面性研究很少。本篇文章是采用多组学分析，揭示了分子机制在的HCM病理生理学的特征。这些与线粒体呼吸减少和受损线粒体的积累有关，是由于氧化应激的增加、抗氧化防御能力的降低以及未能上调的线粒体吞噬清除。

HCM组织表现为大量积累游离脂肪酸，相关研究尚不清楚游离脂肪酸水平增加。研究也发现调节脂肪代谢不同阶段的主要酶的表达减少了酸性β-氧化，线粒体脂肪酸氧化的主要调节因子没有上调。此外，HCM心脏积累了有毒的脂质中间产物。

HCM氧化时限制脂肪酸的代谢，葡萄糖水平降低和糖酵解代谢产物及回补底物TCA循环提供了能量，限制了能源供应。心肌能量再生能力有限，能量受损代谢可能是HCM功能恶化的一个重要机制，也是治疗HCM的一个潜在靶点治疗干预。

能源需求增加HCM心脏促进活性氧的产生，HCM心肌表现出几种心磷脂种类减少。线粒体亚群线粒体受损和嵴密度降低。HCM中线粒体结构的改变与线粒体氧化损伤减少有关，磷酸化能力和呼吸功能降低复杂的活动，确认线粒体功能损害。表明HCM心肌线粒体亚群仍可能存在呼吸功能正常，但不能满足高收缩HCM心脏的高能量需求。

激活有丝分裂吞噬途径以消除呼吸能力降低的异常线粒体，有助于防止活性氧的细胞毒性影响，维持细胞内稳态，改善线粒体功能作用。线粒体质量控制受损可能最终导致HCM中受损线粒体的积累而至线粒体损伤。

研究讨论

本研究采用了多组学分析HCM中病理生理机制的心肌代谢和能量学整体变化。代谢组学、脂质组学与基因转录的改变、调节这些途径的关键酶会增强。伴随着代谢紊乱，作者发现氧化损伤加剧，导致线粒体结构和功能显著缺陷，线粒体质量控制上调失败，增加了对能量的需求。通过早期出现的变化程度，建议改善代谢功能和线粒体功能，可能是减缓HCM的有效办法。

小鹿推荐

本篇文章对肥厚型心肌病(HCM)的病理机制进行了深入研究。通过采用多组学方法分析病理心肌的基因、代谢等途径，研究心肌、线粒体功能对HCM的影响。同时，也为肥厚型心肌病的治疗提供了新靶点。

参考文献：

1.Maron BJ, Maron MS. Hypertrophic cardiomyopathy. Lancet. 2013;381:242–255. doi: 10.1016/

S0140-6736(12)60397-3

2. Semsarian C, Ingles J, Maron MS, Maron BJ. New perspectives on the prevalence of hypetro-

phic cardiomyopathy. J Am Coll Cardiol. 2015;65:1249–1254. doi: 10.1016/j.jacc.2015.01.019

3. Spudich JA. Three perspectives on the molecular basis of hypercontractility caused by hyper-

trophic cardiomyopathy mutations. Pflugers Arch.2019;471:701–717. doi: 10.1007/s00424-019-

02259-2

文末看点｜lumingbio

上海鹿明生物科技有限公司多年来，一直专注于生命科学和生命技术领域，是国内早期开展以蛋白组学和代谢组学为基础的多层组学整合实验与分析的团队。目前在多层组学研究已经有了成熟的技术方法，欢迎各位老师前来咨询哦~