缺血性心臟病是全球主要死因，心肌梗死（MI）——冠狀動脈突然堵塞，心肌因缺血而大面積壞死亟需修復。但棘手的是，成年人的心肌細胞幾乎喪失了增殖能力，無法自我修復。什么方法可以促使其增殖？研究表明Forkheadbox（Fox）蛋白家族中的Foxk1和Foxk2既是細胞“調度員”（參與調節細胞周期），也是能量代謝的“開關”（促進糖酵解過程），推測它們在心肌細胞增殖和心臟再生中起到關鍵作用，但具體機制尚不清晰。

2025年3月，中國醫學科學院阜外醫院聶宇教授團隊在Nature Communications上發表了題為“Foxk1 and Foxk2 promote cardiomyocyte proliferation and heart regeneration”的研究論文，揭示了Foxk1/2激活CCNB1（細胞周期蛋白B1）和CDK1（細胞周期蛋白依賴性激酶 1）的表達，形成CCNB1/CDK1復合物促進G2/M期（細胞周期中由DNA合成后期【G2期】進入有絲分裂期【M期】的關鍵調控點）轉換；同時啟動HIF1α轉錄，增強心肌細胞糖酵解促進增殖，本研究為開發促進心肌損傷后的再生療法提供了新靶點。（麥特繪譜提供動物代謝流技術（¹³C₆-glucose）檢測服務）

研究設計

實驗模型：

基因編輯小鼠：構建心肌細胞特異性敲除（cKO）Foxk1或Foxk2的小鼠（Myh6-MerCreMer×Foxk1/2 floxed小鼠）；

過表達模型：通過腺病毒AAV9載體（心肌特異性cTNT啟動子驅動）在新生和成年小鼠中過表達Foxk1或Foxk2；

心肌梗死（MI）模型：新生（P1）和成年（8-10周）小鼠通過左前降支（LAD）結扎誘導MI；

主要實驗技術：

RNA-seq和CUT&Tag-seq（染色質結合位點分析）揭示Foxk1/2的靶基因；

Seahorse檢測糖酵解（ECAR）和線粒體呼吸（OCR）；

同位素標記示蹤（U-¹³C₆-glucose）代謝流技術；

細胞周期分析：流式細胞術（PI染色）、免疫熒光（Ki67、pH3、AuroraB標記增殖）；

圖1. 研究思路圖

研究結果

1. Foxk1和Foxk2對心肌細胞增殖的調控

研究發現Foxk1和Foxk2的表達在小鼠心肌細胞發育過程中逐漸降低。通過siRNA敲低或腺病毒過表達實驗表明，敲低Foxk1或Foxk2會抑制原代新生兒小鼠心肌細胞增殖，而過表達則促進增殖，且二者未顯示出協同增效作用。

圖2. Foxk1和Foxk2促進心肌細胞增殖

2. Foxk1和Foxk2延長心肌細胞增殖時間窗口

在P1（出生后第1天）小鼠中通過AAV9過表達Foxk1和Foxk2，發現可減少P14（出生后第14天）時心肌細胞橫截面積，增加心肌細胞數量、單核心肌細胞比例，提高AuroraB、Ki67和pH3陽性心肌細胞數量，表明其能延遲心肌細胞周期停滯，延長增殖窗口。

圖3. Foxk1和Foxk2延長心肌細胞增殖時間窗口

3. 對新生兒心臟再生的作用

構建心肌細胞特異性Foxk1或Foxk2敲除小鼠，MI損傷后，與對照組相比，敲除組梗死瘢痕面積更大，心肌細胞尺寸更大，pH3⁺和AuroraB⁺心肌細胞數量減少，心臟功能恢復較差，說明Foxk1和Foxk2是新生兒心臟再生所必需的。

圖4. 心肌細胞特異性Foxk1或Foxk2缺陷損害心臟再生

4. 對成年小鼠心臟再生和修復的影響

成年雄性小鼠MI后注射AAV9-Foxk1或AAV9-Foxk2，可改善心臟功能，減少心肌纖維化，增加增殖心肌細胞數量，提高單核和二倍體心肌細胞比例，抑制成纖維細胞激活，表明Foxk1和Foxk2能有效促進成年小鼠MI后心臟恢復。

圖5. Foxk1和Foxk2促進成年小鼠心臟再生和修復

5. 誘導心肌細胞增殖的機制——激活CCNB1/CDK1復合物

通過CUT&Tag和RNA-seq分析，發現Foxk1和Foxk2分別直接靶向Ccnb1和Cdk1基因。過表達或敲低實驗表明Foxk1調控CCNB1（細胞周期蛋白 B1）表達，Foxk2調控CDK1（細胞周期蛋白依賴性激酶1）表達。干擾CCNB1或CDK1可削弱Foxk1或Foxk2的促增殖作用，且二者存在交叉調節。

圖6. Foxk1和Foxk2通過與Ccnb1和Cdk1啟動子區結合誘導心肌細胞增殖

6. 誘導心肌細胞代謝重編程

RNA-seq數據和Seahorse分析顯示，過表達Foxk1和Foxk2可增強心肌細胞糖酵解，抑制氧化磷酸化（OXPHOS）；體內葡萄糖通量分析（¹³C₆-glucose標記代謝流技術，麥特繪譜提供）表明，其過表達促進了糖酵解和戊糖磷酸途徑（PPP）代謝物增加，TCA循環中間體減少。抑制糖酵解會降低過表達Foxk1和Foxk2的心肌細胞增殖，說明它們通過增強糖酵解和PPP來驅動心肌細胞增殖。

圖7. Foxk1和Foxk2誘導心肌細胞代謝重編程

7. 通過HIF1α誘導心肌細胞糖酵解

CUT&Tag-seq分析發現Foxk1和Foxk2在Hif1α（細胞代謝重編程的關鍵調節因子）啟動子區域富集，ChIP-qPCR證實了上述結果。過表達或敲低實驗表明Foxk1和Foxk2調控HIF1α表達。敲低Hif1α可抑制Foxk1和Foxk2誘導的糖酵解增強和細胞增殖，說明HIF1α是Foxk1和Foxk2促進糖酵解和增殖的下游調節因子。

圖8. HIF1α介導Foxk1和Foxk2依賴的心肌細胞代謝重編程

研究結論

Foxk1和Foxk2是心肌細胞增殖和心臟再生的關鍵轉錄因子，通過激活CCNB1/CDK1復合物促進細胞周期進展，并通過激活HIF1α增強代謝重編程，從而發揮促增殖作用。AAV9介導的Foxk1或Foxk2過表達可改善成年小鼠心臟損傷后的功能恢復，有望成為心臟修復的治療靶點，但治療時需優化劑量和持續時間，以減輕過度糖酵解帶來的潛在不良影響。

參考文獻

Foxk1 and Foxk2 promote cardiomyocyte proliferation and heart regeneration. Nature Communications. 2025

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葡萄糖通量分析（¹³C₆-glucose標記代謝流技術）結果為本研究的心肌細胞代謝重編程機制解釋提供了重要證據。麥特繪譜提供全面的代謝流檢測服務，可追蹤含¹³C和¹⁵N等被標記物100+種，全面覆蓋糖酵解和TCA循環通路、磷酸戊糖途徑、 氨基酸代謝、脂肪酸代謝、 一碳代謝、 核苷酸代謝通路等。豐富的個性化標記定制經驗–[U-¹³C₆]-Fructose，[U-¹³C₁₆]-Palmitate, [U-¹³C₃]-Serine,[U-¹³C₂]-Glycine, [U-¹³C₃]-Alanine, [U-¹³C₃]-Pyruvate, [U-¹³C₄]Malic Acid, [U-¹³C₁₈]-Oleic Acid, ¹³CO₂, ¹⁵N-NH₄CL, [1, 2-¹³C₂]-Glucose, [2,3,3-D₃]-Serine, [2,3-¹³C₂]Alanine, [1,2,3-¹³C₃]-Choline等。歷經數年項目積累，檢測各類貼壁細胞、懸浮細胞、菌體、培養液、線粒體、組織、糞便等樣本類型，涵蓋多發性骨髓瘤、肝癌、線粒體遺傳代謝病、免疫細胞活性與疾病、心血管疾病等多個研究方向，合作項目成果突出，文章平均IF >10+。