NCB | 張巖/肖瑞平團隊發(fā)現(xiàn)心臟DNA損傷和心力衰竭的新機制 ?

生物_醫(yī)藥_科研 2019-09-03

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心血管疾病是人類健康的第一殺手，全世界平均每10秒鐘有一人死于心血管疾病，已經(jīng)成為了一個日益增長的公共健康問題。成年哺乳動物心肌細胞是終末分化的細胞，增殖能力非常有限，因此維持心肌細胞的DNA的完整性和基因組的穩(wěn)定性對行使正常功能非常重要。電離輻射、細胞代謝產(chǎn)物等很多刺激都會引起心肌細胞DNA損傷，如果損傷的DNA不能得到有效修復，會引起DNA損傷的積累和基因組穩(wěn)定性下降，進而造成心肌細胞死亡和多種心血管疾病。然而目前對心肌細胞DNA損傷修復的調節(jié)機制還知之甚少。

鈣/鈣調素依賴的蛋白激酶II（Ca2+/calmodulin protein kinase II, CaMKII）是介導心肌細胞死亡的關鍵分子，其活化參與多種病因引起的心肌細胞死亡和心血管疾病，包括心肌梗塞，心肌病和心力衰竭等。CaMKII由四種基因編碼，分別是CaMKII-α，β，γ和δ，其中心臟中主要是CaMKII-δ。CaMKII-δ在兩個區(qū)域（exon13和17之間，以及exon20和22之間）通過可變剪切產(chǎn)生11種不同的剪切體（圖1）。以前的觀點認為，CaMKII-δ2（又名CaMKII-δC，位于細胞漿）和CaMKII-δ3（又名CaMKII-δB）是主要的心臟剪切體，分別位于細胞質和細胞核中，在心肌細胞存活方面行使相反的功能。然而，到目前為止，心臟中CaMKII-δ可變剪切體的全貌，以及哪種CaMKII-δ剪切體主要負責CaMKII介導的心肌細胞死亡和心臟疾病，還是很不明了。

圖1：CaMKII-d可變剪切體的結構。CaMKII-δ在兩個區(qū)域（exon13和17之間，以及exon20和22之間）通過可變剪切產(chǎn)生11種不同的剪接變體

2019年9月2日，北京大學分子醫(yī)學研究所張巖和肖瑞平團隊在Nature Cell Biology雜志上以長文的形式發(fā)表了題為CaMKII-δ9 promotes cardiomyopathy through disruptingUBE2T-dependent DNA repair的文章，首次揭示了心臟CaMKII-δ的剪切全貌，發(fā)現(xiàn)人類心臟中最主要的剪切體CaMKII-d9通過損害范可尼貧血（Fanconi anemia，F(xiàn)A）通路依賴的DNA修復機制，導致心肌細胞DNA損傷聚集和基因組不穩(wěn)定，引起心肌細胞死亡以及后續(xù)的心衰等心血管疾病。

利用第三代測序和絕對定量質譜技術，張巖和肖瑞平團隊首次發(fā)現(xiàn)CaMKII-d9，而不是以前廣泛認為的d2和d3，是人類心臟中最豐富的CaMKII-d可變剪切體（圖2）。功能上，CaMKII-d9通過破壞心肌細胞基因組穩(wěn)定性而促進心肌細胞死亡和心力衰竭。利用病人心臟樣本、人誘導多功能干細胞、以及多種大、小鼠心臟損傷模型，他們發(fā)現(xiàn)在心臟病理情況下，CaMKII-d9表達增加，直接結合并磷酸化FA通路唯一的泛素耦聯(lián)酶E2T（Ubiquitin-conjugating enzyme E2T, UBE2T），造成其蛋白酶體依賴的降解，從而損害FA通路的DNA修復功能，引起心臟DNA損傷和心肌細胞的死亡，進而引發(fā)心肌病和心力衰竭（圖3）。

相反的，通過表達針對CaMKII-d的exon16的shRNA，敲低CaMKII-d9顯著保護了小鼠主動脈縮窄引起的心臟肥大、收縮功能障礙、心力衰竭和動物死亡。機制上，CaMKII-d9特有的exons13-16-17肽段是其特異性結合并降解UBE2T的基礎，而其他常見的CaMKII-d可變剪切體，包括d1，d2和d3均不具備此肽段故不能調節(jié)UBE2T和FA通路及其介導的DNA修復過程。

圖2：通過三代測序檢測不同種屬中CaMKII-d不同可變剪切體的轉錄本比例。通過SMRT測序檢測小鼠、大鼠、恒河猴和人類心臟中11個CaMKII-d可變剪接體的表達水平。外顯子編號在底部，每個盒子的長度與每個外顯子的長度成正比，每個可變剪接變體的百分比以條形圖形式在右圖顯示（紅色的為CaMKII-d9），一些主要可變剪接體的絕對讀數(shù)標注在圖上。

圖3：CaMKII-d9調節(jié)心肌細胞DNA損傷和細胞死亡的機制。當心肌細胞受損傷時，CaMKII-d9上調，促進UBE2T的磷酸化和降解，導致DNA修復障礙、DNA損傷的富集和基因組的不穩(wěn)定，最終引起心肌細胞死亡。

此工作首次揭示了一種全新的CaMKII-d9依賴的心肌細胞DNA損傷和修復機制，而且證明CaMKII-δ9-UBE2T-DNA損傷通路在心肌細胞死亡，心肌病和心力衰竭等重大心臟疾病中的重要作用。研究提示，抑制該調控通路的過度活化，可為包括心臟缺血、惡性重構和心力衰竭重大心血管疾病的預防和治療提供了新靶點和新途徑。

據(jù)悉，北京大學分子醫(yī)學研究所張茂博士為該論文的第一作者，張巖副研究員為論文的通訊作者，肖瑞平教授為資深作者。北京大學分子醫(yī)學研究所的李川昀教授和胡新立副研究員、阜外醫(yī)院的宋云虎教授、國家蛋白質科學中心（北京）的秦鈞教授和安貞醫(yī)院的蘭峰教授，及他們的研究團隊為該工作提供了大力支持。

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https://www./articles/s41556-019-0380-8