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​Nat Commun丨线粒体复合体Ⅱ组装在扩张型心肌病发生中的重要机制
发布者: 冯智辉 | 2022-08-28 | 5386

扩张型心肌病 (DCM) 以左心室扩张和心功能不全为特征,具有较高的发病率和死亡率。线粒体呼吸复合体II(又称琥珀酸脱氢酶,SDH)是连接三羧酸循环 (TCA循环,或Krebs循环) 和电子传递链的交叉点,对心肌线粒体功能维持至关重要。SDH复合体经由多个组装因子SDHAFs介导其亚基的有序组装才能发挥正常活性功能,其中SDHAF4是最近在酵母中鉴定出可调控SDH早期组装的调控因子,其是否参与机体生理病理的调控尚不清楚。

 

近日,西安交通大学/康复大学刘健康/丁健/冯智辉团队在Nature Communications上发表 Cardiac disruption of SDHAF4-mediated mitochondrial complex II assembly promotes dilated cardiomyopathy 论文。作者发现,SDHAF4在心脏应激过程中表达显著降低,小鼠心脏Sdhaf4基因缺失可抑制复合体II组装,导致代谢失衡和Drp1激活,诱导心肌线粒体过度自噬,导致DCM病理特征,最终小鼠因心衰致死;补充SDH底物富马酸盐或Drp1的抑制剂(Mdivi-1)靶向干预线粒体,可以显著改善线粒体动力学和心脏功能,并延长心肌梗死模型(MI)小鼠和DCM小鼠的寿命。

 

 

线粒体呼吸复合体的组装调控是对其活性调节的有效生理手段。心肌作为线粒体最丰富的组织之一,作者推测SDH的组装参与调控心肌功能。作者检测了SDH的各个组装因子SDHAFs在心肌梗死 (MI) 小鼠模型中的表达发现,SDHAF4表达调控最为敏感。在原核生物或酵母系统中,Sdh8(哺乳动物中命名为SDHAF4)参与SDH的两个催化亚基SDHA和SDHB的二聚体组装。作者在哺乳动物细胞中,对这一功能进行了确认。为探讨SDHAF4是否参与心脏疾病发生,作者利用Cre-LoxP系统构建心肌特异性SDHAF4敲除小鼠模型。Sdhaf4Ckmm小鼠寿命均在12周以内,成年小鼠心脏增大。进一步对成年小鼠心脏超声心动图分析显示,Sdhaf4Ckmm小鼠与对照小鼠的心率并没有差异,而左心室缩短分数 (FS%) 显著降低和心脏收缩失调。为双重确认心肌缺失SDHAF4的表型,成年Sdhaf4Myh6ErCre小鼠Tamoxifen诱导后,同样检测到心肌功能受损和致死性。这一系列结果提示,Sdhaf4缺失会导致心脏异常和致死,从而表明Sdhaf4是维持心脏功能表型的必需基因。

 

心肌敲除SDHAF4后如何引起心脏功能衰退?作者进一步分析了Sdhaf4Ckmm小鼠出生后不同阶段心脏的形态,以监测其致病过程。Sdhaf4Ckmm小鼠在出生后的前6周体重与对照小鼠相似,而心脏重量在3周龄开始显著增加。后期观察到心室扩张,提示心肌中SDHAF4的丢失导致了进展性DCM。作者分别对MI、DCM和Sdhaf4Ckmm小鼠的心肌进行转录组学分析,一致观察到TCA循环相关基因的下调,这提示心肌缺失SDHAF4引起DCM,在MI、DCM和Sdhaf4Ckmm小鼠心脏中发生了类似的分子过程,进一步表明心脏中的线粒体代谢异常可能是心脏发病机制的关键过程之一。

 

SDHAF4被认为SDHA亚基特异性相互作用,并促进其与SDHB结合,用于随后的SDH复合体组装。作者检测心肌缺失SDHAF4后对SDH组装情况,成年Sdhaf4Ckmm小鼠心肌内因敲除SDHAF4引起SDH组装受阻,未完成组装的SDH亚基的泛素化降解增加,心肌组织内活性氧ROS增加。同时代谢组学分析显示,Sdhaf4Ckmm小鼠心肌内TCA循环发生紊乱,SDH底物富马酸显著降低。透射电镜 (TEM) 图像显示,成年Sdhaf4Ckmm小鼠心肌相对于对照小鼠心肌出现严重的肌纤维/肌节组织和线粒体内结构形态异常,Sdhaf4Ckmm小鼠心肌线粒体数目增多、形态变小。进一步研究揭示,心肌敲除SDHAF4激活DRP1,致线粒体过度分裂并引起线粒体自噬增加,同时,结合体外实验证实p-ERK1/2介导了DRP1的激活。这一系列结果提示SDHAF4的缺失扰乱心肌内线粒体代谢,打破心肌内线粒体动态平衡。


        基于上述发现,作者推测代谢能力受损和过度分裂/线粒体自噬增加可能是Sdhaf4Ckmm小鼠DCM发生的两个主要线粒体事件,因此,针对Sdhaf4Ckmm小鼠进行代谢或化学干预。给以小鼠口服SDH产物富马酸或腹腔注射DRP1抑制剂Mdivi-1干预,显著改善了MI模型小鼠和Sdhaf4Ckmm小鼠心脏功能,缓解DCM症状,延长其寿命。这些结果提示MI模型中SDHAF4的表达降低是促进DCM病发的重要因素。

 

综上所述,作者探讨了SDHAF4参与心脏功能稳态维持的重要作用,并揭示了其参与DCM病发的关键调控机制。作为目前已知的最后鉴定发现的SDH组装因子,SDHAF4的表达对机体应激尤为敏感。SDHAF4的降低有效抑制SDH复合体组装,加速SDH亚基的降解,从而逐步导致代谢障碍和线粒体过度自噬,促进DCM的发生和心衰。此外,本研究还表明,针对线粒体代谢和线粒体动力学的干预是改善心功能的有效策略。SDHAF4蛋白的生理评估为SDH缺陷相关DCM的发展和临床实践提供了更多的见解。

 

 

原文链接:

Cardiac disruption of SDHAF4-mediated mitochondrial complex II assembly promotes dilated cardiomyopathy