心肌梗死等缺血性心臟病是全球主要致死原因之一。心肌梗死發(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致心肌缺血和隨后快速、廣泛的心肌細(xì)胞死亡，由于成年心肌細(xì)胞增殖能力不足，梗死的心臟組織被纖維化瘢痕組織所取代，進(jìn)而導(dǎo)致心力衰竭。因此，確定調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞增殖的關(guān)鍵因素可以促進(jìn)心臟再生新療法的發(fā)展。
2025年3月24日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院聶宇教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications（IF 14.7）上發(fā)表了題為“Foxk1 and Foxk2 promote cardiomyocyte proliferation and heart regeneration”的研究論文。研究證明了Foxk1和Foxk2是心肌細(xì)胞增殖和心臟再生的強(qiáng)效誘導(dǎo)劑，F(xiàn)oxk1和Foxk2通過增強(qiáng)細(xì)胞周期再進(jìn)入和誘導(dǎo)代謝重編程的雙重作用促進(jìn)了心肌細(xì)胞增殖，表明Foxk1和Foxk2是缺血性心臟病患者再生治療的有前景的靶點(diǎn)。
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基因信息
Foxk1 & Foxk2：叉頭盒蛋白家族成員
病毒產(chǎn)品
Ad-Foxk1、Ad-Foxk2、Ad-Ctrl
感染細(xì)胞
新生小鼠原代心肌細(xì)胞
MOI
100
Ad-Foxk1/Foxk2感染原代心肌細(xì)胞后免疫染色代表性圖像
01研究結(jié)果
1、Foxk1和Foxk2控制心肌細(xì)胞增殖
研究人員首先分析了Foxk1和Foxk2在小鼠心肌細(xì)胞不同發(fā)育階段的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)在心臟發(fā)育過程中，F(xiàn)oxk1和Foxk2的表達(dá)水平逐漸降低，并通過WB和qRT-PCR實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。為了揭示Foxk1和Foxk2是否參與心肌細(xì)胞增殖，研究人員利用siRNA在原代新生小鼠心肌細(xì)胞中單獨(dú)敲低Foxk1或Foxk2 ，發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞增殖受到顯著抑制；使用腺病毒過表達(dá)Foxk1或Foxk2顯著增加了Ki67和pH3陽性心肌細(xì)胞的數(shù)量，證明了它們?cè)诖龠M(jìn)心肌細(xì)胞增殖中的作用。研究人員進(jìn)一步探討了共過表達(dá)Foxk1和Foxk2的協(xié)同作用，發(fā)現(xiàn)Foxk1和Fox k2對(duì)增強(qiáng)心肌細(xì)胞增殖沒有顯示出累加作用。這表明Foxk1和Foxk2通過保守機(jī)制調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞增殖。
圖1. Foxk1和Foxk2促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖
2、Foxk1和Foxk2可以促進(jìn)心臟再生
為了探索Foxk1或Foxk2在心臟再生中的作用，研究人員構(gòu)建了心肌細(xì)胞特異性Foxk1或Foxk2敲除（cKO）小鼠。給予1天齡小鼠心肌梗死損傷，28天后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)與同窩小鼠相比，F(xiàn)oxk1 cKO和Foxk2 cKO小鼠的梗死瘢痕和缺陷型心肌細(xì)胞面積明顯更大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞中Foxk1或Foxk2特異性缺失對(duì)新生小鼠心臟損傷后心臟功能的恢復(fù)有害。數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)oxk1和Foxk2是心肌梗死后新生兒心臟再生和內(nèi)源性心肌細(xì)胞增殖所必需的。接下來，研究人員評(píng)估了Foxk1和Foxk2對(duì)心臟損傷的治療潛力，在成年小鼠心梗模型中利用AAV9過表達(dá)Foxk1和Foxk2，發(fā)現(xiàn)Foxk1和Foxk2過表達(dá)均可顯著改善心臟功能，減少纖維化疤痕，并促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖。這一結(jié)果表明，F(xiàn)oxk1和Foxk2不僅在新生小鼠心肌細(xì)胞增殖中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在成年小鼠中同樣能夠有效促進(jìn)心臟再生和心臟功能恢復(fù)。
圖2. Foxk1和Foxk2改善成年小鼠的心臟再生和修復(fù)
3、Foxk1和Foxk2通過激活CCNB1/CDK1復(fù)合物誘導(dǎo)心肌細(xì)胞增殖
為了揭示Foxk1和Foxk2誘導(dǎo)心臟缺血再灌注的機(jī)制，研究人員對(duì)用Ad-GFP、Ad-Foxk1或Ad-Foxk2處理48小時(shí)的原代新生心肌細(xì)胞進(jìn)行了抗缺血再灌注（CUT&Tag）和RNA-seq處理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞過表達(dá)Foxk1和Foxk2可導(dǎo)致細(xì)胞周期基因表達(dá)的協(xié)同變化；并證實(shí)Foxk1和Foxk2能夠直接結(jié)合并激活細(xì)胞周期相關(guān)基因CCNB1和CDK1的表達(dá)，形成CCNB1/CDK1復(fù)合物，促進(jìn)G2/M期轉(zhuǎn)換，繼而促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖。進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)Foxk1和Foxk2通過糖酵解增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)心肌細(xì)胞增殖，F(xiàn)oxk1和Foxk2通過上調(diào)HIF1α表達(dá)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞糖酵解，增強(qiáng)心肌細(xì)胞的糖酵解和磷酸戊糖途徑進(jìn)而增加葡萄糖的利用率，為心肌細(xì)胞增殖提供了必要的生物合成前體和能量來源。
圖3. Foxk1和Foxk2分別通過結(jié)合Ccnb1和Cdk1的啟動(dòng)子區(qū)域誘導(dǎo)心肌細(xì)胞增殖
02結(jié)論
綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)Foxk1和Foxk2是驅(qū)動(dòng)心肌細(xì)胞增殖和心臟再生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。這些因子通過上調(diào)CCNB1/CDK1復(fù)合物促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)程，并通過HIF1α激活增強(qiáng)代謝重編程，從而發(fā)揮雙重促增殖作用。以上發(fā)現(xiàn)確立了Foxk1和Foxk2作為心臟修復(fù)的有前景的治療靶點(diǎn)，為心臟再生中細(xì)胞周期控制和代謝調(diào)節(jié)之間的相互作用提供了新的見解。