【Nature子刊】浙江大学梁平团队：核纤层蛋白A/C缺乏与心律失常的关键联系

2024年8月14日， 浙江大学转化医学研究院梁平团队在期刊《Nature Communications》上发表了题为“Lamin A/C deficiency-mediated ROS elevation contributes to pathogenic phenotypes of dilated cardiomyopathy in iPSC model”的研究论文。研究结果表明，核纤层蛋白A/C缺乏介导的ROS疾病，是LMNA-DCM发展的核心。操纵受损的SIRT1活性和过度氧化应激，是LMNA-DCM未来的潜在治疗策略。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51318-5

研究介绍

01

扩张型心肌病（DCM）以左心室或双心室扩张和心脏收缩受损为特征，是心力衰竭的第二大常见原因，在一般人群中的患病率>0.4%。数十年的研究，揭示了DCM的多种病因，包括基因突变、感染、炎症、自身免疫性疾病、毒素暴露，以及内分泌或神经肌肉原因。多种基因突变与DCM的发生有关，最显著的是编码细胞骨架、肌节、桥粒或核膜（NE）蛋白的基因。尽管如此，科学界对DCM的潜在病理生理学，仅实现了部分理解；并且，DCM的广泛潜在原因，使得预防不可逆的损伤，变得特别具有挑战性，即使在早期阶段也是如此。

随着已知与DCM相关的突变数量的稳步增加，LMNA相关DCM（LMNA-DCM）占DCM病例的4-8%，受到广泛关注。LMNA 基因编码A型核纤层蛋白，该核纤层蛋白位于核膜内膜，是核层的主要成分。它们在细胞核和细胞骨架组织、机械稳定性、染色质组织、信号传导、基因调控、基因组稳定性和细胞分化中，发挥重要作用。LMNA的突变与十几种先前定义的临床疾病有关，统称为椎板病，例如Hutchinson-Gilford早衰综合征（HGPS），常染色体显性遗传性Emery-Dreifuss肌营养不良症，肢带肌营养不良症和DCM。与其他类型的DCM相比，LMNA-DCM相对非典型且更严重。患者在早发性情况下，突出表现为危及生命的心脏电异常，例如房室传导阻滞、室性心动过速和颤动。心源性猝死（SCD）的高风险和植入式心律转复除颤器（ICD）植入的要求，是影响患者生活质量和生存的主要临床特征之一。

科学界已经假设了3种独立的机制，来支持LMNA相关心肌病的发病机制，即异染色质组织失调、核机械抵抗受损和核纤层蛋白A/C相关细胞内信号通路的改变。LMNA单倍体功能不全诱导的染色质失调，最近已发展成为热点，因为确认由异常的异染色质组织引起的血小板衍生生长因子通路的激活，可以诱导LMNA-DCM中的心律失常表型。

在本研究中，团队证明了LMNA-DCM患者特异性诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（iPSC-CMs），表现为舒张压升高 [Ca2+]、异常钙2+处理、心律失常负担增加和核膜（NE）变形。然后，团队检验了活性氧升高（ROS），有助于LMNA-DCM发展的假设。研究结果为了解核纤层蛋白A/C功能不全、ROS、心律失常和核结构异常之间的联系提供了见解，这可能为LMNA-DCM带来有希望的治疗途径。

研究进展

02

SIRT1过表达通过抑制ROS-CAMKII-RYR2通路，

挽救A388fs iPSC-CMs的致病表型

之前的数据表明，SIRT1的药理激活，可以挽救A388fs iPSC-CMs中的致病表型。为了提供SIRT1和ROS-CAMKII-RYR2通路之间的直接联系，团队在突变体II-1 iPSC-CM中过表达人WT SIRT1质粒。SIRT1过表达（OE）导致SIRT1表达显著增加，ox-CaMKII、p-CaMKII、p-RYR2和SUN1水平显著降低 。过表达SIRT1的II-1 iPSC-CMs细胞ROS水平显著降低。Ca2+SIRT1 OE显著缓解了在II-1 iPSC-CMs中观察到的处理异常。重要的是，SIRT1 OE极大地挽救了II-1 iPSC-CMs的心律失常表型，显示出与对照组iPSC-CMs相似的正常动作电位特征。同时，SIRT1 OE部分挽救了II-1 iPSC-CMs中NE变形的表型。这些结果表明，SIRT1 OE可以挽救异常的Ca2+，通过抑制ROS-CAMKII-RYR2通路，处理A388fs iPSC-CM中的心律失常。

SIRT1的过表达通过抑制ROS-CAMKII-RYR2通路挽救了A388fs iPSC-CMs的致病表型。

操纵SIRT1或CaMKII活性，可改善患者特异性工程化心脏组织的功能

为了进一步评估通过在组织水平上操纵SIRT1或CaMKII活性来挽救治疗效果，团队生成了基于人类的工程心脏组织（EHT）模型。Con-1和II-1 EHT均用autocamtide-2相关抑制肽（AIP）（CaMKII 抑制剂，25 nM）或SRT（1 μM）处理3天。团队观察到，在II-1 EHT中处理AIP或SRT会产生更紧凑的结构，类似于在Con-1 EHTs中观察到的形态。EHT束的最佳响应频率为1.5 Hz，并且大多数束都可以在此频率下有效地起搏。随着频率的增加，在12%拉伸比下，有或没有异丙肾上腺素刺激的情况下，II-1 EHTs的起搏效率迅速下降，通过AIP或SRT治疗，可以有效挽救其下降。与DMSO处理的II−1 EHTs相比，AIP或SRT处理的II−1 EHTs，在12%拉伸率下的收缩力显著增加。这些结果表明，操纵SIRT1或CaMKII活性，可以提高人体组织水平的电收缩耦合能力。修复LMNA-DCM心肌细胞中异常的SIRT1/CaMKII活性，可能是恢复电和收缩功能障碍的有前途的策略。

拟议的工作模式。

研究结论

03

SCD与LMNA-DCM相关的高风险，凸显了了解核纤层蛋白A/C缺乏，如何引起心律失常的重要性。本研究建立了患者来源的LMNA-DCM细胞模型，该模型具有显著的致心律失常活性和破坏的NE结构。团队证明，由于SIRT1的加速降解，具有核纤层蛋白A/C缺乏症的患者特异性iPSC-CMs，表现出线粒体功能障碍和ROS升高的致病特征。过度氧化应激，已知对心肌细胞结构和功能均有害，导致心律失常的易感性和NE紊乱的加剧。这些证据表明，核纤层蛋白A/C-SIRT1-ROS的分子通路，在维持正常的心律和NE结构方面，起着至关重要的作用。

在本研究中，SIRT1激活剂或ROS清除剂的治疗效果，令人印象深刻。Ca2+A388fs iPSC-CMs的处理异常和心律失常，通过SRT或MT治疗得到逆转。团队还发现，由于线粒体功能障碍导致的ROS升高，加速了SUN1的积累。

总之，本研究确定了SIRT1缺乏介导的氧化应激，是LMNA-DCM电生理学和核结构致病进展的原因。研究结果还通过操纵受损的SIRT1活性和过度的氧化应激，为LMNA-DCM提供了有前途的治疗策略。

参考资料：

1.Schultheiss, H.-P. et al. Dilated cardiomyopathy. Nat. Rev. Dis. Prim. 5, 32 (2019).

2.Richardson, P. Report of the 1995 World Health Organization/International Society and Federation of Cardiology Task Force on the definition and classification of cardiomyopathies. Circulation 93, 841–842 (1996).