Cell Reports：奧古斯塔大學蘇華波教授團隊揭示類泛素化修飾在調節心臟成熟和代謝中的關鍵作用！
2023年1月19日，美國奧古斯塔大學蘇華波教授研究團隊在Cell Reports (IF 8.8)發表題為“Neddylation is required for perinatal cardiac development through stimulation of metabolic maturation”的研究論文。文章提出類泛素化通過調節正常的發育代謝轉變，促進心肌細胞成熟和圍產期心臟發育，揭示類泛素化是調節心臟成熟和代謝的關鍵翻譯后機制。
病毒產品
AAV9-cTnT-Cre-WPRE
實驗動物
NAE1F/+ 和 NAE1F/F小鼠（P1）
注射方式
皮下注射
病毒用量
高劑量：5 x 10E11 GC/pup
中劑量：0.5 x 10E11 GC/pup
低劑量：0.25 x 10E11 GC/pup
研究背景
心臟成熟對出生后心臟發育至關重要，成熟過程一旦發生中斷極易導致先天性心臟病或成年時期心肌病和心力衰竭的發生。研究報道，心臟成熟涉及一系列轉錄因子和翻譯后修飾調控，目前調節心肌細胞代謝成熟的多個關鍵轉錄因子已被揭示，例如HIF1α、ERRα和ERRγ等，然而調節心臟成熟的翻譯后機制尚不清楚。神經前體細胞表達發育下調蛋白8 (NEDD8)是一種泛素樣蛋白，以類泛素化方式共價修飾靶蛋白。作者先前的研究證明，NEDD8類泛素化通路與心臟內穩態及心肌病相關，并在出生后心臟中表達下調，預示類泛素化修飾可能在心臟成熟中起著不可或缺的作用。
研究結果
1.NAE1在出生后心臟的缺失可引起擴張型心肌病和心力衰竭
NAE1是目前已發現的唯一的NEDD8活化酶，敲除NAE1可完全抑制類泛素化過程。作者將不同劑量的AAV9-cTnT-Cre病毒載體通過皮下注射至新生NAE1Flox/Flox小鼠和NAE1 Flox/+小鼠體內，構建了心臟特異性NAE1敲除小鼠和對照小鼠，值得注意的是，高劑量（5 x 10E11 GC/pup）病毒注射可轉導約80%的心肌細胞，NAE1的mRNA和蛋白水平均顯著降低，類泛素化水平得到明顯抑制。通過對這些小鼠的心臟進行表征分析，作者發現與對照組小鼠相比，NAE1敲除小鼠在病毒注射后六周發生了擴張性心肌病并最終導致心力衰竭，實時定量PCR檢測到心臟應激標志物Nppa和Nppb上調，Serca2a下調。表明類泛素化對出生后心臟的正常發育是不可或缺的。
圖1. NAE1在出生后心臟的缺失導致心力衰竭
2.NAE1缺失損害CM的成熟
作者假設NAE1的缺失可能影響了心肌細胞（CM）成熟，繼而引發NAE1敲除小鼠心肌病。對CM中的T小管進行標記及成像，觀察到NAE1敲除的心肌細胞中T小管發育受到嚴重影響，表現為排列紊亂，含量、完整性和規律性顯著降低，表明類泛素化對T小管組織至關重要。此外，低劑量AAV給藥的NAE1F/F小鼠CM大小出現異常，同時，中劑量AAV處理的NAE1F/F小鼠心臟中，一些參與肌節和電生理成熟的基因發生了明顯的胎兒和成人亞型表達變化，進一步證明了類泛素化在CM成熟中的重要作用。
圖2. 抑制類泛素化會損害CM的成熟
3.NAE1缺失損害心臟氧化代謝和線粒體功能
圍產期會發生從糖酵解到氧化代謝的轉變，這是CM成熟和產后心臟發育所必需的。實時熒光定量PCR分析顯示，與NAE1F/+小鼠心臟相比，中劑量AAV-Cre感染的NAE1F/F小鼠心臟中與脂肪酸利用有關的基因下調，而與葡萄糖利用的基因則顯著上調。此外，western印跡也證實了NAE1敲除小鼠中調節脂肪酸利用的酶和參與線粒體生物發生的蛋白質減少。進一步分析顯示NAE1CKO導致脂肪酸氧化基因acadm、Cpt1b、atgl mRNA水平顯著降低，NAE1的缺失還造成了CMs線粒體功能障礙。
作者通過體外抑制新生大鼠心室心肌細胞（NRVCs）的NAE1表達，進一步證明抑制類泛素化可損害CMs中的脂肪酸氧化代謝，代謝組學分析結果更加表明，類泛素化顯著影響CMs中葡萄糖和脂肪酸代謝相關途徑。
圖3. NAE1缺陷小鼠心臟脂肪酸氧化代謝和線粒體功能受損
小結
本研究確定類泛素化通過調節代謝轉變，在心臟細胞成熟和出生后心臟發育中發揮重要作用。具體來講，類泛素化作用修飾HIF1α和Cul2，并且這兩種蛋白的類泛素化在促進HIF1α泛素化和降解方面具有協同作用，這對心臟發育中建立氧化代謝至關重要。抑制類泛素化會導致HIF1α蛋白的積累和持續的HIF1α信號通路，從而抑制妊娠晚期和產后心臟的脂肪酸利用，導致CM成熟缺陷，最終導致心力衰竭，表明類泛素化是CM成熟和圍產期心臟發育所必需的。