研究背景
組織的代謝靈活性決定了炎癥挑戰(zhàn)期間器官損傷的程度和可逆性。然而對于敗血性心肌病（SCM）的心肌代謝功能障礙，目前尚無有效的治療方法。近期上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一人民醫(yī)院李俊、劉少穩(wěn)團(tuán)隊(duì)在Nature Communications (IF 15.7)上發(fā)表文章“Cardiomyocyte mitochondrial mono-ADP-ribosylation dictates cardiac tolerance to sepsis by configuring bioenergetic reserve in male mice”，發(fā)現(xiàn)MacroD1抑制通過增強(qiáng)Ndufb9蛋白的單ADP核糖基化來保留心肌細(xì)胞的線粒體復(fù)合體I（MCI）活性和生物能量儲備，從而減輕敗血癥誘導(dǎo)的心肌焦亡和功能障礙。
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基因信息 MacroD1：單ADP核糖水解酶
病毒產(chǎn)品 Ad-GFP,Ad-MacroD1
實(shí)驗(yàn)細(xì)胞 新生大鼠心肌細(xì)胞（NRCMs）
MOI 50
WB表明Ad-MacroD1成功在心肌細(xì)胞表達(dá)
結(jié)果展示
1. 心肌細(xì)胞MacroD1基因敲除使心肌耐受敗血癥
作者發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞MacroD1上調(diào)與SCM有關(guān)，為了研究MacroD1在SCM中的作用，作者構(gòu)建了MacroD1心肌細(xì)胞特異性敲除（cKO）小鼠。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)LPS（脂多糖）處理導(dǎo)致對照小鼠產(chǎn)生25%的死亡率，但cKO小鼠均存活，對照小鼠中的心肌抑制以及循環(huán)LDH和cTnT的升高在cKO小鼠中被MacroD1基因敲除顯著抵消。此外LPS誘導(dǎo)對照小鼠心臟中髓過氧化酶陽性中性粒細(xì)胞顯著增加,并伴隨著膠原沉積和肌成纖維細(xì)胞激活，但在cKO小鼠中這些病理改變減輕。作者還進(jìn)行了盲腸結(jié)扎和穿孔手術(shù)以模擬菌血癥引起的心功能障礙，發(fā)現(xiàn)cKO小鼠的存活率和心臟功能相比于對照小鼠得到顯著改善。cKO小鼠中心肌損傷標(biāo)志物的循環(huán)水平以及心肌炎癥浸潤和肌成纖維細(xì)胞活化的強(qiáng)度較低，凸顯了MacroD1在SCM中的重要性，表明其對心肌損傷具有抵抗力。機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)代謝途徑的保留，尤其是線粒體氧化磷酸化，與cKO介導(dǎo)敗血癥耐受性密切相關(guān)，MacroD1下調(diào)能在內(nèi)毒素血癥應(yīng)激下維持生物能量過程。
圖1 心肌細(xì)胞MacroD1基因敲除使心肌耐受敗血癥
2. MCI亞基Ndufb9是cKO誘導(dǎo)的生物能量保存的基礎(chǔ)
作者研究了MacroD1失活依賴性能量代謝的關(guān)鍵介質(zhì)。發(fā)現(xiàn)cKO小鼠中MCI活性提高，并抵消了IPS誘導(dǎo)的MCI和MCV的抑制。MacroD1的過表達(dá)增加了LPS處理的AC16人心肌細(xì)胞中的線粒體ROS，并進(jìn)一步抑制了MCI活性和ATP產(chǎn)生。MacroD1中Macro結(jié)構(gòu)域的缺失保留了AC16細(xì)胞的線粒體功能，暗示Macro結(jié)構(gòu)域在MacroD1依賴性線粒體功能中的重要性。之后作者通過蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定了261種差異富集的蛋白質(zhì)，并鑒定出三種與MCI功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)僅Ndufb9顯示出單ADP核糖基化，免疫沉淀進(jìn)一步驗(yàn)證了MacroD1和Ndufb 9之間的相互作用，并證明Macro結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)MacroD1與Ndufb9的結(jié)合。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Ndufb9-R173的單ADP核糖基化對于MacroD1抑制介導(dǎo)的線粒體穩(wěn)態(tài)抵抗敗血癥損傷至關(guān)重要。
圖2 MCI亞基Ndufb9是cKO誘導(dǎo)的生物能量保存的基礎(chǔ)
3. cKO阻斷心肌細(xì)胞中MCI功能障礙和炎癥損傷
細(xì)胞生物能量狀態(tài)調(diào)控炎癥反應(yīng)，作者分析了MacroD1介導(dǎo)的線粒體代謝是否影響敗血癥中NLRP3炎性小體的激活和心肌細(xì)胞的焦亡。LPS或CLP處理誘導(dǎo)cKO小鼠和對照小鼠中血清IL-1β和TNFα的相當(dāng)增加，但在cKO小鼠心臟中，凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白、NLRP3、IL1β、IL18和TNFα mRNA的表達(dá)降低。此外蛋白質(zhì)印跡檢測顯示，cKO小鼠中焦亡介質(zhì)、cleaved caspase-1和GSDMD、炎性小體成分NLRP3和ASC以及促炎細(xì)胞因子TNFα下調(diào)，轉(zhuǎn)移到線粒體的ASC和NLRP3蛋白水平顯著降低。心肌中的免疫沉淀和離體成年小鼠心室心肌細(xì)胞的鄰位連接試驗(yàn)進(jìn)一步表明ASC與NLRP3蛋白的結(jié)合減少。LPS處理的NRCM中也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了MacroD1在敗血癥期間調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞NLRP3炎性體的啟動和激活。
圖3 cKO阻斷心肌細(xì)胞中MCI功能障礙和炎癥損傷
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
本研究發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞MacroD1的遺傳和藥理學(xué)抑制都會加劇心肌代謝損傷、炎癥、功能障礙以及盲腸結(jié)扎和穿孔引起的死亡風(fēng)險。在機(jī)制上，MacroD1抑制通過增強(qiáng)Ndufb 9單ADP核糖基化來保留心肌細(xì)胞的MCI活性和生物能量儲備，從而減輕敗血癥誘導(dǎo)的心肌焦亡和功能障礙。表明MacroD1阻斷可以保護(hù)心臟免受敗血癥的侵害，有望特異性預(yù)防SCM。