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项目文章CELL METAB(IF=27.287) | 非靶代谢组学助力发现缺血性再灌注新治疗靶点

2021-12-27
中科新生命
1532

血运重建疗法是一种针对急性心肌梗死患者的有效治疗手段,但治疗过程中会不可避免产生心肌缺血再灌注(MIR)损伤,造成心肌细胞死亡和组织永久损伤,甚至导致患者死亡。而目前并没有一种没有可有效针对缺血再灌注损伤的干预手段。

2021年9月21日,武汉大学李红良,鲁志兵,杨海龙及白兰为共同通讯作者(张晓晶、刘小兰、胡曼丽、赵国俊为共同第一作者)在Cell Metabolism(IF=27.287)发表了题为“Pharmacological inhibition of arachidonate 12-lipoxygenase ameliorates myocardial ischemia-reperfusion injury in multiple species”的论文,该研究通过非靶代谢组学对心肌梗死患者冠状动脉介入(PCI)术前术后血浆样本代谢表型变化进行检测,发现12-HETE是缺血再灌注损伤的重要标志物,明确12-HETE对应合成酶ALOX12是心脏缺血再灌注损伤的重要调控靶点及其调控机制。并在小鼠及高等动物模型中一致证明ALOX12的小分子抑制剂可以有效改善缺血再灌注损伤,研究为后续临床转化提供了可能。中科新生命参与了本研究中代谢组学的工作


图文摘要


研究结果

1. 代谢组学分析发现12-HETE是MIR损伤发生中的关键代谢物

通过非靶代谢组的方式,对19名心肌梗死的临床患者的冠状动脉介入手术(PPCI)前后的血浆样本进行检测分析,结果显示PPCI术后患者血浆中12-HETE变化与MIR损伤发生有最高的关联性。在MIR损伤小鼠模型中对12-HETE靶向检测,灌注后发现血浆和心肌组织中12-HETE浓度显著上调。


代谢组学描绘MIR损伤后的代谢表型

2. 12-HETE合成酶ALOX12与MIR损伤调控有关

ALOX12是合成12-HETE的主要脂氧合酶,在再灌注处理后,小鼠心脏中ALOX12表达水平呈现上调趋势。敲除ALOX12后的小鼠相比野生型小鼠,心脏功能在再灌损伤发生后有明显改善。后续通过转录组分析,ALOX12缺失后的心肌组织中与细胞存活相关mRNA表达出现上调,与促炎症反应及细胞死亡相关mRNA表达出现下调,而ALOX12过表达小鼠中相关mRNA呈现相反的表达趋势,这也与心脏损伤表型一致。


ALOX12与MIR损伤调控有关

3. ALOX12小分子抑制剂ML355可以改善MIR造成的心肌损伤

ML355是一种ALOX12抑制剂,对小鼠尾部静脉注射ML355后发现能有效缓解心肌损伤,同时血浆中12-HETE出现显著下降。转录组结果显示ML355作用后效果与ALOX12缺失时产生的转录重编程在很大程度的保持一致。在小鼠、巴马猪和恒河猴上进一步验证,获得同样的结论——ML355有改善缺血再灌注引起的的心肌损伤和心功能下降的效果。

4. ALOX12通过调控AMPK通路加重MIR 损伤

对转录组数据进一步分析发现ALOX12介导的MIR损伤加重机制与抑制AMPK磷酸化有关。AMPKα2是AMPK的重要亚基,构建敲除AMPKα2的小鼠后,发现AMPK被抑制就会直接导致MIR损伤加重。在ALOX12与AMPKα2均不表达的小鼠中发现,敲除ALOX12带来的MIR损伤改善会因AMPK被抑制而逆转。

5. ALOX12可加强泛素化酶NEDD4作用导致TAK1降解

12-HETE直接处理对AMPK通路几乎没有产生影响。而改造ALOX12使其失去合成12-HETE能力后,发现其介导的MIR损伤的相关效应也未受影响。说明ALOX12在酶催化产12-HETE的同时还存在一种非酶依赖性的调控方式。

通过IP-MS蛋白互作实验发现,ALOX12会与AMPK通路上游磷酸化激酶的TAK1结合,通过阻止两者结合可以消除对AMPK磷酸化的抑制。另外在ALOX12-TAK1复合物中发现泛素化酶NEDD4,验证发现 ALOX12能加强TAK1与泛素酶NEDD4结合导致TAK1降解,从而降低AMPK的磷酸化水平。

6. ML355干扰ALOX12-NEDD4-TAK1复合物形成


ALOX12小分子抑制剂ML355处理的活体和原代心肌细胞后,能诱导TAK1的表达并激活AMPK通路,有效地中断ALOX12-NEDD4的相互作用,TAK1泛素化导致降解的效应也被ML355中和。ML355可以抑制ALOX12的催化12-HETE,及阻止ALOX12-NEDD4-TAK1信号复合物的形成,从而起到改善MIR损伤后心脏功能的作用。
小结
研究者明确了MIR损伤的调控靶点ALOX12及其调控机制,并在小鼠及高等动物模型中一致证明了ALOX12的小分子抑制剂ML355可以有效缓解MIR损伤,为后续的临床转化提供了可能。
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