在生命的奇妙旅程中，心脏的发育堪称一场精密的 “交响乐”，每一个环节都不容有失。心内膜作为心脏内层的特殊内皮组织，在心肌小梁形成、心肌致密化以及冠状动脉血管形成等过程中都扮演着举足轻重的角色。一旦心内膜发育异常，就可能导致心室心肌发育缺陷，像左心室心肌致密化不全（LVNC）这种严重的疾病，常常会引发心力衰竭，威胁生命健康。然而，目前对于心内膜发育的内在调控机制，我们的了解还十分有限。
甘油 - 3 - 磷酸酰基转移酶 4（GPAT4）是一种锚定在内质网（ER）膜上的蛋白。在脂肪组织和肝脏等负责从头脂肪生成的组织中，它在甘油磷脂生物合成（肯尼迪途径）中的作用已较为明确，但在 ER 生物学中的功能却一直扑朔迷离。为了揭开这些神秘的面纱，南京大学生命科学学院、河北医科大学等研究机构的研究人员展开了深入探究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解心脏发育机制和相关疾病的防治提供了新的思路。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。基因编辑技术方面，利用 CRISPR - Cas9 技术构建了 Gpat4 全球基因敲除（KO）小鼠，还通过与 Tie2 - Cre、Nfatc1 - Cre、cTnT - Cre 等工具鼠杂交，实现了 Gpat4 在特定组织或细胞中的条件性敲除。分子生物学技术上，RNA 测序（RNA - seq）用于分析基因表达谱的变化，定量实时聚合酶链式反应（qPCR）对特定基因的表达进行验证，蛋白质免疫印迹（Western blotting）检测蛋白表达水平和磷酸化状态 。细胞生物学实验中，进行了免疫荧光（IF）染色、细胞增殖实验、细胞迁移实验，还运用了透射电子显微镜（TEM）观察细胞超微结构。
研究结果如下：
- Gpat4 全球基因敲除小鼠心脏发育缺陷：研究人员构建的 Gpat4 KO 小鼠在胚胎约 E18.5 时致死。E14.5 和 E15.5 的胚胎出现明显皮下水肿，心脏形态和组织学检查发现心室扩张、心肌壁变薄、小梁增多，细胞增殖减少，促凋亡蛋白 BAX 增加、抗凋亡蛋白 BCL2 减少，冠状动脉血管形成严重受损。这表明 GPAT4 在胚胎心脏发育中起着关键作用。
- GPAT4 在心内膜发育中的重要作用：构建 Gpat4 条件性基因敲除小鼠，利用内皮细胞特异性 Cre 小鼠（Tie2 - Cre）和 Nfatc1 - Cre 小鼠分别在特定细胞中敲除 Gpat4，均出现与全球基因敲除小鼠相似的表型，如皮下水肿、心脏增大、心脏发育异常等。体外心脏外植体培养和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）划痕实验也证实，GPAT4 缺失会损害心内膜细胞迁移。这些结果充分证明了 GPAT4 在心内膜发育中不可或缺。
- GPAT4 缺失引发内质网应激反应和增强内质网 - 线粒体通讯：RNA - seq 分析显示，Gpat4 缺失后，心脏组织中参与内质网应激反应的基因表达上调。免疫沉淀和质谱分析发现，GPAT4 结合蛋白参与蛋白质折叠等过程且多位于内质网。通过 AlphaFold 3 预测及相关实验证实，GPAT4 与 PERK 在结合 EIF2S1/eIF2α 上存在竞争关系，GPAT4 缺失会增强 PERK 与 EIF2S1/eIF2α 的结合，激活未折叠蛋白反应（UPR）。TEM 观察到 Gpat4 缺失小鼠心内膜细胞内质网肿胀、线粒体异常，内质网 - 线粒体接触（MAMs）增强。这一系列结果表明，GPAT4 对维持内质网稳态至关重要，其缺失会引发内质网应激反应，增强 UPR - ER 和内质网 - 线粒体通讯。
- Gpat4 缺失引发 cGAS - STING 和 I 型干扰素反应：RNA - seq 和 KEGG、GO 分析表明，Gpat4 缺失会导致 I 型干扰素反应相关通路显著富集，相关基因表达上调。Western blotting 和免疫荧光染色证实，cGAS - STING - TBK1 - IRF3 信号通路被激活，且该反应发生在内质网应激反应之后。在心肌细胞特异性 Gpat4 缺失小鼠中未检测到 cGAS - STING 通路的差异，说明该现象具有内皮细胞特异性。
- 内皮细胞中 GPAT4 缺失导致内质网 - 线粒体通讯增强、线粒体功能障碍和 cGAS - STING 通路激活：在 HUVECs 细胞中敲低 Gpat4，细胞存活率降低，促凋亡蛋白增加、抗凋亡蛋白减少，内质网应激反应增强，内质网 - 线粒体接触相关蛋白水平升高，cGAS - STING 信号通路和 I 型干扰素反应过度激活，线粒体功能受损，线粒体 DNA（mtDNA）释放增加。而在心肌细胞系 H9c2 中，降低 GPAT4 水平对相关指标影响较小。这进一步表明，GPAT4 缺失引发的这些变化在不同细胞类型中具有特异性。
- 阻断 cGAS - STING 通路挽救 Gpat4 缺陷小鼠的心内膜缺陷：构建 Gpat4/Ifnar1 和 Gpat4/Sting 双基因敲除小鼠，结果显示，双基因敲除小鼠在 E14.5 时无皮下水肿和心脏扩张，心内膜和心肌发育与对照组相当，I 型干扰素信号通路下游基因表达显著降低，凋亡相关蛋白变化逆转。这表明阻断 cGAS - STING 通路有利于 Gpat4 KO 小鼠的心脏发育，进一步证实心内膜缺陷是 I 型干扰素反应过度激活的结果。
综合研究结论和讨论部分，GPAT4 通过维持心内膜细胞内质网稳态，对心内膜和心脏发育起着至关重要的作用。它与 EIF2S1/eIF2α 结合，稳定其在内质网中的状态，竞争性抑制 PERK 对 EIF2S1/eIF2α 的磷酸化，从而调节 UPR 对 ER 应激的反应。GPAT4 缺失引发内质网应激反应和内质网 - 线粒体通讯增强，导致线粒体 Ca²⁺超载和 mtDNA 逃逸，激活 cGAS - STING 通路，引发 I 型干扰素反应，最终影响心内膜细胞存活和心脏发育。该研究揭示了 GPAT4 介导的内质网 - 线粒体通讯和 cGAS - STING 通路对心内膜和心脏发育的独特调控机制，为深入理解心脏发育的分子机制提供了新的视角，也为治疗心脏发育异常相关疾病提供了潜在的治疗靶点和理论依据。未来，研究人员还将探索 GPAT4 在成年小鼠心肌细胞中的功能，进一步拓展对其在心脏生理和病理过程中作用的认识。
生物通微信公众号
