心肌病和衰老共同作用于蛋白质错误折叠(unfolded protein response)相关的生理途径

时间:2026年3月14日
来源:Journal of Molecular and Cellular Cardiology

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心肌病蛋白质量控制系统研究揭示UPR三轴上调与年龄及PSEN基因突变相关,提示蛋白折叠异常累积是iDCM的重要机制。

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卡米拉·巴钦(Camilla Bacchin)| 马可·卢西亚尼(Marco Luciani)| 卢卡·特龙科内(Luca Troncone)| 克里斯蒂娜·巴拉(Cristina Balla)| 斯特凡诺·贝尔托(Stefano Berto)| 贝瑟尼·雅各布斯·沃尔夫(Bethany Jacobs Wolf)| 费德里卡·德尔·蒙特(Federica del Monte)
美国南卡罗来纳州查尔斯顿市,南卡罗来纳医科大学医学部心脏病学系

摘要

蛋白质是控制细胞过程的重要元素。它们的合成和组装对细胞至关重要,因为任何缺陷都会产生有害后果。为了纠正这些缺陷,存在一种精密调节的生物机制,称为蛋白质质量控制(PQC)。PQC包括未折叠蛋白反应(UPR),该机制负责识别、展开和重新折叠异常排列的蛋白质;以及由泛素蛋白酶体系统(UPS)和内质网相关蛋白降解(ERAD)组成的清除装置。在特发性扩张型心肌病(iDCM)中,会积累异常折叠的蛋白质。在这项研究中,我们使用聚合酶链反应(PCR)和Western Blotting(WB)技术,分析了iDCM患者以及年龄、种族和生物学性别匹配的对照组的UPR和UPS系统的转录和翻译特征。
我们的结果显示,在转录和翻译水平上,三个主要的UPR轴均有所增加,这表明所有轴都处于激活或失活状态,而PTM(磷酸化修饰)、切割和剪接的变化导致了下游功能的异常。值得注意的是,衰老独立地影响了患病个体和对照组个体的这一机制。此外,与阿尔茨海默病相关的早衰素基因突变导致了UPR成分的翻译后变化,这表明遗传风险可能会加剧自然衰老和疾病引起的蛋白质稳态失调。
总之,我们的发现强调了UPR异常在心力衰竭中的重要作用,这一现象尚未得到充分探索。这些途径中多个靶蛋白的联合改变导致了蛋白质稳态的缺陷,最终耗尽了细胞的生存能力。

引言

根据2023年欧洲心脏病学会的指南,扩张型心肌病(DCM)是一组异质性心脏病,其可能的致病机制多种多样。这些机制会导致“心肌的结构性和功能性”异常,且不存在冠状动脉疾病(CAD)、高血压、瓣膜疾病或先天性心脏病(CHD),足以引起观察到的心肌异常[1]。因此,在经过临床、实验室和影像学评估后仍无法确定病因的情况下,患者被诊断为特发性DCM(iDCM),这是第二大病例亚群。
在亚细胞水平上,多种非互斥的途径驱动了iDCM中的分子、细胞和组织变化,包括细胞骨架紊乱、Ca2+稳态失调、心肌细胞凋亡和死亡[3]。此外,最近在iDCM中发现的一个异常是心肌中形成了小规模的淀粉样前体寡聚体(PAO)、原纤维和淀粉样纤维[4]。
蛋白质的异常折叠在每个细胞中都是相对常见的现象。蛋白质折叠是一个容易出错的过程,需要及时采取纠正措施,以避免蛋白质聚集和由此产生的毒性损伤(称为“蛋白质毒性”[5])。为了维持蛋白质的健康,存在一个精密调节的生物系统——蛋白质质量控制(PQC)机制,其中包括未折叠蛋白反应(UPR),该机制能够识别并重新折叠异常折叠的蛋白质,分别在细胞质或内质网(ER)中进行这些过程,内质网是分泌蛋白或跨膜蛋白的合成、翻译后修饰和折叠场所。
虽然目前尚不清楚蛋白质聚集是原发性还是继发性致病事件,但在多种心血管疾病中已经描述了UPR各个组分的激活情况,例如心房颤动[6]或心室疾病(糖尿病性心肌病、缺血性心脏病以及主动脉狭窄、心肌炎或阿尔茨海默病的小鼠模型)[4]、[7]、[8]、[9]、[10],其中UPR在蛋白质异常积累的早期阶段起到了保护作用[11]。在某些DCM病例中(如由ER腔蛋白保留受体-2(KDEL受体)突变引起的病例),已经报道了UPR的个别组分[13]、[14]、[15]、[16]。然而,在iDCM中,由于不同致病机制之间的复杂相互作用,这一点尚未得到验证,因此我们旨在研究主要的已知UPR信号通路,以了解疾病状态下UPR的变化情况。因此,在这项研究中,我们检测了人类iDCM心脏样本中所有三个主要已知UPR信号通路的转录和翻译水平上的表达和激活情况。
由于衰老本身会降低PQC的能力(因为衰老会影响所有蛋白质,包括PQC相关的蛋白质),我们研究了衰老与疾病对该系统的影响。
我们的研究还通过比较两个携带早衰素-1(PSEN1)突变和两个携带早衰素-2(PSEN2)突变的iDCM病例的UPR变化,来探讨遗传风险对UPR激活的影响(PSEN1, PSEN2是与阿尔茨海默病(AD)相关的基因,这是最常研究的蛋白质折叠相关疾病之一)。值得注意的是,PSEN1已知会影响Ca2+稳态[17]、[18]、[19],这是iDCM的一个已知关键缺陷[20]、[21]、[22],间接表明Ca2+稳态失调在应对蛋白质稳态缺陷中的作用,并将DCM的两个关键缺陷联系起来。
总体而言,我们的研究开始揭示与iDCM相关的UPR特征,为诊断提供了重要信息,并可能为新的治疗靶点提供依据。

样本收集

在心脏移植时收集了失败的左心室组织。非衰竭的心脏来自美国国立卫生研究院支持的国家疾病研究交换项目。所有捐赠均获得家属同意。如果心脏没有明显的宏观、实验室或仪器检查出的心脏疾病迹象,则不予移植。对照组心脏因无法识别而不符合移植条件。

人群统计

所有对照组和iDCM受试者的样本中位年龄及四分位数范围分别为56.5岁(36.5–60.5岁)和53.55岁(33.3–58.5岁)。两组中男性和女性的比例相当(捐赠组n=6男,6女;iDCM组n=6女,7男)。随后将两组按年龄分为年轻组和老年组。四个组在年龄和生物学性别上尽可能匹配。通过颜色区分了男性和女性的样本。

iDCM的蛋白质毒性分子特征

尽管可能的病因多种多样,DCM涵盖了广泛的分子靶点缺陷(无论是否存在单基因或多基因基础),这些靶点涉及细胞骨架结构、肌节排列、核膜、离子通道、线粒体、肌浆网和桥粒等[24]。这些变化单独或在不同损伤共同作用下,最终会导致心肌功能储备的耗竭。

局限性

我们认识到当前的数据集无法提供机制层面的见解,需要进一步使用组学方法在更大样本规模上进行研究(以克服SDS页面的技术限制)。这一点对于PSEN突变体亚群尤为明显,因为其样本量较小,因此研究结果应被视为初步性的。我们承认这项初步研究不是纵向研究,但招募年轻和老年受试者的目的是为了模拟实际情况。

披露

ML作为演讲者和顾问从Boerhinger Ingelheim和Pfizer获得了研究经费。

CRediT作者贡献声明

卡米拉·巴钦(Camilla Bacchin):数据管理、数据分析。马可·卢西亚尼(Marco Luciani):方法学设计、研究实施、数据分析。卢卡·特龙科内(Luca Troncone):验证、方法学设计、研究实施、数据分析。克里斯蒂娜·巴拉(Cristina Balla):研究实施。斯特凡诺·贝尔托(Stefano Berto):数据分析。贝瑟尼·雅各布斯·沃尔夫(Bethany Jacobs Wolf):数据分析。费德里卡·德尔·蒙特(Federica del Monte):论文撰写、初步草稿撰写、监督、资源协调、项目管理、研究协调、资金申请、概念构思。

写作过程中未使用生成式AI或AI辅助技术

作者在撰写本手稿时没有使用生成式AI或AI辅助技术。

资金来源

本研究得到了美国国立卫生研究院(NIH)R01HL098468项目的支持,以及Christie家族对FdM的慈善捐赠。M.L.还获得了意大利心脏病学会的奖学金,并得到了Merck Sharp & Dohme Italia的资助。

致谢

我们感谢Thamonwan Diteepeng博士在设计图形摘要方面的宝贵贡献,他以清晰的方式传达了复杂的信息。

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