Jmjd4调控心肌细胞代谢并保护免受扩张型心肌病的影响

引言

扩张型心肌病（Dilated Cardiomyopathy, DCM）是一种常见的心肌病，特征为心腔扩大和收缩功能受损，常导致心力衰竭，是心脏移植的主要原因之一。据估计，DCM影响约1/250至1/500的人群，其病因复杂，包括遗传和环境因素。尽管已发现400多个与DCM相关的基因突变，但许多特发性和家族性病例的分子机制仍不明确。代谢应激反应异常被认为是DCM发病的关键因素，而Jmjd家族蛋白（最初被认为是组蛋白去甲基化酶）在心血管疾病中的作用逐渐受到关注。

本文发表在《Circulation》期刊（2023年5月30日），题为“Jmjd4 Facilitates Pkm2 Degradation in Cardiomyocytes and Is Protective Against Dilated Cardiomyopathy”，通过体内外实验系统揭示了Jmjd4蛋白在心肌细胞代谢稳态中的重要作用及其在DCM中的保护功能，为DCM的治疗提供了新靶点。

研究背景

DCM是心肌病中最常见的亚型，表现为心室扩大和收缩功能下降。尽管已有研究识别出与DCM相关的多个基因突变，但仍有大量病例病因不明，尤其是特发性DCM。代谢紊乱和线粒体功能缺陷被认为是DCM的重要病理机制，但其上游调控机制尚不清楚。Jmjd4作为小型Jmjd蛋白家族成员，其功能在DCM中的作用尚未被深入研究。本研究通过基因敲除、过表达和药物干预等手段，探索了Jmjd4在心肌细胞代谢和DCM中的作用。

研究方法

1. 人类样本分析

   • 比较DCM患者和健康对照者心脏组织中Jmjd4的表达水平，验证其与DCM的相关性。

2. 动物模型

   • 使用Myh6-CreERT2小鼠构建心肌细胞特异性Jmjd4敲除模型，通过他莫昔芬诱导基因删除。
   • 构建Jmjd4过表达小鼠模型，验证其功能。
   • 采用横向主动脉缩窄（TAC）模型模拟心力衰竭，研究Jmjd4在压力超负荷下的作用。

3. 分子机制研究

   • 利用RNA测序分析Jmjd4敲除对心肌细胞基因表达的影响。
   • 通过代谢组学和质谱分析，研究Jmjd4调控代谢的分子机制。
   • 采用免疫沉淀和Western blot验证Jmjd4与Pkm2及Hsp70的相互作用。

4. 药物干预

   • 使用Pkm2激动剂TEPP-46（10 mg/kg，口服）测试其对Jmjd4缺失或TAC诱导DCM的治疗效果。

5. 细胞实验

   • 使用人类多能干细胞来源的心肌细胞（hPSC-CMs）和新生大鼠心室心肌细胞（NRVCs）进行体外实验。
   • 通过AAV9病毒介导的基因过表达和RNA干扰验证Jmjd4的功能。

6. 其他技术

   • 线粒体呼吸分析（Seahorse XF96 Analyzer）评估代谢功能。
   • 免疫荧光和组织学染色（H&E、Masson、TUNEL）分析心脏组织病理变化。
   • 心脏超声（Echocardiography）评估心功能参数，如射血分数（EF）和缩短分数（FS）。

主要发现

1. Jmjd4表达降低与DCM相关

• 发现：在DCM患者心脏组织中，Jmjd4蛋白水平显著低于健康对照组（n=8 DCM患者 vs. n=3健康对照者）。
• 意义：提示Jmjd4可能在DCM的发病机制中发挥重要作用。

2. Jmjd4缺失导致DCM

• 表型：心肌细胞特异性敲除Jmjd4的小鼠自发发展为DCM，表现为：
  • 心腔扩大（LVID;d和LVID;s增加）。
  • 收缩功能下降（EF和FS降低）。
  • 线粒体呼吸功能严重受损（氧耗率OCR下降）。
• 代谢紊乱：代谢组学分析显示，Jmjd4缺失导致能量代谢障碍，尤其是糖酵解和线粒体氧化磷酸化受损。

3. Jmjd4调控Pkm2降解

• Pkm2积累：在Jmjd4敲除小鼠心脏中，Pkm2（一种活性较低的 pyruvate kinase 亚型，通常在健康成年心肌细胞中不表达，但在心肌病中升高）显著积累。
• 机制：
  • Jmjd4通过羟基化Pkm2的K66位点，与Hsp70协同作用，通过伴侣介导的自噬（CMA）促进Pkm2降解。
  • Pkm2积累导致糖酵解效率降低，引发代谢紊乱、病理性心肌肥大和纤维化。
• 验证：质谱分析确认Jmjd4与Pkm2和Hsp70在细胞质中的相互作用，Jmjd4的酶活性突变（H194A）阻断Pkm2羟基化，验证了其特异性。

4. Pkm2激动剂的治疗潜力

• TEPP-46效果：
  • 在Jmjd4敲除小鼠中，TEPP-46（Pkm2激动剂，10 mg/kg，口服2周）显著改善DCM表型，包括心腔扩大、收缩功能下降和纤维化。
  • 在TAC诱导的心力衰竭模型中，TEPP-46同样减少心脏纤维化和心肌肥大，改善心功能（EF和FS显著提升）。
• 机制：TEPP-46通过促进Pkm2四聚体形成，增强其酶活性，改善糖酵解效率和能量供应。
• 数据支持：
  • 心脏重量/体重比（HW/BW）降低（TAC+TEPP-46组 vs. TAC+Vehicle组，n=12 vs. n=13）。
  • 纤维化面积减少（Masson染色，n=6 TAC+TEPP-46 vs. n=10 TAC+Vehicle）。

5. Jmjd4的功能特性

• 定位：Jmjd4主要存在于细胞质，与已知的翻译调控底物eRF1的相互作用在心肌细胞中未检测到，提示其功能具有细胞类型特异性。
• 非组蛋白去甲基化作用：Jmjd4未显示组蛋白去甲基化活性，而是通过羟基化调控代谢酶Pkm2的稳定性。

临床意义

1. 新的治疗靶点

   • Jmjd4和Pkm2可作为DCM及代谢相关心脏疾病的潜在治疗靶点。
   • TEPP-46作为小分子药物，已在癌症、肾脏和免疫系统疾病中显示出应用潜力，其在DCM中的疗效为开发新型治疗策略提供了依据。

2. 代谢调控的重要性

   • 研究强调了代谢酶（如Pkm2）的翻译后修饰（如羟基化）在心肌细胞代谢稳态中的关键作用。
   • Pkm2的异常积累与代谢紊乱、病理性肥大和纤维化相关，提示调控Pkm2活性可广泛用于治疗多种心脏疾病。

3. 心肌细胞代谢与肥大的关系

   • Jmjd4缺失导致代谢危机伴随心肌细胞肥大，表明心肌细胞可能优先维持机械输出，即使在能量不足的情况下。这种机制可能涉及自噬和线粒体自噬的代偿作用。

讨论与展望

• Jmjd4的多样化功能：本研究揭示了Jmjd4在心肌细胞中的新功能，即通过CMA调控Pkm2降解，扩展了小型Jmjd蛋白家族的研究领域。
• Pkm2在心肌病中的作用：Pkm2在心肌细胞中的功能此前研究较少，本文证明其积累与DCM的代谢和病理特征密切相关，为其在心脏疾病中的作用提供了新视角。
• 治疗前景：TEPP-46的成功应用提示，针对Pkm2的代谢干预可能是治疗DCM和心力衰竭的有效策略。未来需在大型动物模型和临床试验中验证其安全性和疗效。
• 局限性：研究主要基于小鼠模型和体外细胞实验，需进一步验证Jmjd4-Pkm2轴在人体中的作用。
• 未来方向：探索其他Jmjd家族成员在心脏代谢中的作用，以及开发更特异性的Pkm2激动剂，可能为心脏疾病治疗提供更多选择。

结论

本研究揭示了Jmjd4通过调控Pkm2降解在心肌细胞代谢稳态和DCM保护中的关键作用，为DCM的分子机制提供了新见解。Pkm2激动剂TEPP-46显著改善DCM和TAC诱导的心力衰竭，提示Jmjd4和Pkm2是潜在治疗靶点，代谢干预可能成为治疗DCM及其他心脏疾病的新策略。

参考资料

• Tang et al. Jmjd4 Facilitates Pkm2 Degradation in Cardiomyocytes and Is Protective Against Dilated Cardiomyopathy. Circulation. 2023;147:1684-1704. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.123.