2019年1月4日
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陈帅教授课题组发现心脏钙稳态调控新机制

在心脏搏动期间,心肌细胞中细胞质和肌浆网之间钙离子的转移是实现心肌兴奋 - 收缩偶联的关键步骤。这个过程可能导致许多心脏病,包括心力衰竭。 )。因此,恢复心肌细胞中钙稳态是一种非常有吸引力的药物开发策略,用于治疗由于细胞质/肌浆网钙穿梭异常引起的心脏病。在心肌细胞中,SERCA2a是位于肌浆网上的钙-ATP酶,其主要功能是通过水解ATP介导的钙离子从细胞质到肌浆网的转运来控制心肌舒张(2)。在成熟的小鼠心肌细胞中,大约95%的细胞溶质钙离子从SERCA2a回收到肌浆网中(3)。 SERCA2a的量或活性的减少延迟了肌浆网重新恢复钙离子,这又导致肌肉松弛/收缩的减少(4)。因此,使用SERCA2a作为分子靶标来恢复心脏稳态和治疗心脏病如心力衰竭是非常有希望的。然而,到目前为止,尚未完全了解SERCA2a的功能调节机制,并且这种调节机制的分析可以以SERCA2a为靶标为药物开发提供新的思路。

2018年12月19日,陈帅教授的模型动物研究所研究小组在国际主流杂志《Circulation Research》上发表了一篇文章“SPEG通过其第二激酶结构域调节SERCA2a来控制钙重吸收进入肌浆网”。论文(5)。这项研究从蛋白质组学开始,发现SERCA2a可以与横纹肌特异性蛋白激酶(SPEG)相互作用;一系列深入研究表明,SPEG是SERCA2a的一种新型调节剂,可调节细胞质和肌肉中的钙离子。在纸浆网之间穿梭(图1)。本研究揭示了一种调节心肌钙稳态的新机制,为钙稳态异常引起的心脏病的发病机制和治疗提供了新的思路。

SPEG是钙调蛋白激酶(CaMK)丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族的肌球蛋白轻链激酶(MLCK)亚组的成员。其C末端含有两个串联的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域,其中第一个与MLCK亚组的其他成员具有更高的同源性。以前的研究表明,SPEG不仅对心脏发育至关重要,而且对维持成年小鼠心脏功能至关重要;但目前尚不清楚SPEG如何调节心脏功能。

在这项研究中,陈帅教授的小组首先发现了蛋白质组学分析,即SERCA2a是一种与SPEG相互作用的潜在蛋白质。研究人员使用免疫共沉淀(Co-IP)实验证明SPEG在体内和体外均与SERCA2a相互作用。随后,通过细胞系和新生大鼠原代心室肌细胞(NRVC)的一系列实验,他们发现SPEG的第二个激酶结构域可与SERCA2a相互作用并直接磷酸化SERCA2a的Thr484位点。这进一步促进了SERCA2a的寡聚化并最终增强了SERCA2a转运钙离子的能力。

图1 SPEG-SERCA2a轴调节心肌细胞的钙稳态和心脏功能

小干扰RNA(siRNA)是一种常见的基因沉默工具,当引入细胞时,会触发相应基因的信使RNA(mRNA)的快速降解。在NRVC敲低SPEG后,siRNA抑制了SERCA2a-Thr484的磷酸化和肌浆网的钙离子回流,表明SPEG可以调节SERCA2a的功能。此外,在将SERCA2a的Thr484位点突变为未磷酸化的丙氨酸(Ala)后,与野生型SERCA2a相比,过量表达SERCA2aThr484Ala突变蛋白的NRVC中的肌浆网钙离子回流时间延长,此磷酸化位点是关键活性物质。 SERCA2a的调控部位。

为了进一步研究SPEG-SERCA2a轴的体内功能,陈帅教授使用Cre-loxp系统专门敲除成年小鼠心脏中的Speg基因。与对照小鼠相比,SPEG心脏特异性敲除小鼠患有严重的扩张性心肌炎,心脏功能显着降低并且随着时间的推移而恶化,最终导致过早死亡。他们的机理研究表明,缺乏SPEG的小鼠心脏中SERCA2a-Thr484的磷酸化水平和寡聚化显着降低;最重要的是,在SPEG心脏特异性敲除小鼠的心脏功能异常之前,心肌细胞中肌浆网的钙离子回流受到抑制。这些结果表明SPEG-SERCA2a调节轴具有重要的体内功能,并且受损的SERCA2a功能是SPEG心脏特异性敲除小鼠中心脏衰竭的重要原因。

总之,本研究发现了一种调节心肌细胞SERCA2a功能的新机制,并阐明了SPEG是治疗心脏病如钙稳态和心力衰竭的新分子靶点。

模特动物研究所博士生全超和李敏是本文的共同第一作者。手机赌博网站陈帅教授是本文的作者。

(模范动物研究所,科学技术部)