NCB | 张岩/肖瑞平团队发现心脏DNA损伤和心力衰竭的新机制 ​

心血管疾病是人类健康的第一杀手，全世界平均每10秒钟有一人死于心血管疾病，已经成为了一个日益增长的公共健康问题。成年哺乳动物心肌细胞是终末分化的细胞，增殖能力非常有限，因此维持心肌细胞的DNA的完整性和基因组的稳定性对行使正常功能非常重要。电离辐射、细胞代谢产物等很多刺激都会引起心肌细胞DNA损伤，如果损伤的DNA不能得到有效修复，会引起DNA损伤的积累和基因组稳定性下降，进而造成心肌细胞死亡和多种心血管疾病。然而目前对心肌细胞DNA损伤修复的调节机制还知之甚少。

 

钙/钙调素依赖的蛋白激酶II（Ca2+/calmodulin protein kinase II, CaMKII）是介导心肌细胞死亡的关键分子，其活化参与多种病因引起的心肌细胞死亡和心血管疾病，包括心肌梗塞，心肌病和心力衰竭等。CaMKII由四种基因编码，分别是CaMKII-α，β，γ和δ，其中心脏中主要是CaMKII-δ。CaMKII-δ在两个区域（exon13和17之间，以及exon20和22之间）通过可变剪切产生11种不同的剪切体（图1）。以前的观点认为，CaMKII-δ2（又名CaMKII-δC，位于细胞浆）和CaMKII-δ3（又名CaMKII-δB）是主要的心脏剪切体，分别位于细胞质和细胞核中，在心肌细胞存活方面行使相反的功能。然而，到目前为止，心脏中CaMKII-δ可变剪切体的全貌，以及哪种CaMKII-δ剪切体主要负责CaMKII介导的心肌细胞死亡和心脏疾病，还是很不明了。

图1：CaMKII-d可变剪切体的结构。CaMKII-δ在两个区域（exon13和17之间，以及exon20和22之间）通过可变剪切产生11种不同的剪接变体

 

2019年9月2日，北京大学分子医学研究所张岩和肖瑞平团队在Nature Cell Biology杂志上以长文的形式发表了题为CaMKII-δ9 promotes cardiomyopathy through disruptingUBE2T-dependent DNA repair的文章，首次揭示了心脏CaMKII-δ的剪切全貌，发现人类心脏中最主要的剪切体CaMKII-d9通过损害范可尼贫血（Fanconi anemia，FA）通路依赖的DNA修复机制，导致心肌细胞DNA损伤聚集和基因组不稳定，引起心肌细胞死亡以及后续的心衰等心血管疾病。

 

利用第三代测序和绝对定量质谱技术，张岩和肖瑞平团队首次发现CaMKII-d9，而不是以前广泛认为的d2和d3，是人类心脏中最丰富的CaMKII-d可变剪切体（图2）。功能上，CaMKII-d9通过破坏心肌细胞基因组稳定性而促进心肌细胞死亡和心力衰竭。利用病人心脏样本、人诱导多功能干细胞、以及多种大、小鼠心脏损伤模型，他们发现在心脏病理情况下，CaMKII-d9表达增加，直接结合并磷酸化FA通路唯一的泛素耦联酶E2T（Ubiquitin-conjugating enzyme E2T, UBE2T），造成其蛋白酶体依赖的降解，从而损害FA通路的DNA修复功能，引起心脏DNA损伤和心肌细胞的死亡，进而引发心肌病和心力衰竭（图3）。

相反的，通过表达针对CaMKII-d的exon16的shRNA，敲低CaMKII-d9显著保护了小鼠主动脉缩窄引起的心脏肥大、收缩功能障碍、心力衰竭和动物死亡。机制上，CaMKII-d9特有的exons13-16-17肽段是其特异性结合并降解UBE2T的基础，而其他常见的CaMKII-d可变剪切体，包括d1，d2和d3均不具备此肽段故不能调节UBE2T和FA通路及其介导的DNA修复过程。

图2：通过三代测序检测不同种属中CaMKII-d不同可变剪切体的转录本比例。通过SMRT测序检测小鼠、大鼠、恒河猴和人类心脏中11个CaMKII-d可变剪接体的表达水平。外显子编号在底部，每个盒子的长度与每个外显子的长度成正比，每个可变剪接变体的百分比以条形图形式在右图显示（红色的为CaMKII-d9），一些主要可变剪接体的绝对读数标注在图上。

 

图3：CaMKII-d9调节心肌细胞DNA损伤和细胞死亡的机制。当心肌细胞受损伤时，CaMKII-d9上调，促进UBE2T的磷酸化和降解，导致DNA修复障碍、DNA损伤的富集和基因组的不稳定，最终引起心肌细胞死亡。

 

此工作首次揭示了一种全新的CaMKII-d9依赖的心肌细胞DNA损伤和修复机制，而且证明CaMKII-δ9-UBE2T-DNA损伤通路在心肌细胞死亡，心肌病和心力衰竭等重大心脏疾病中的重要作用。研究提示，抑制该调控通路的过度活化，可为包括心脏缺血、恶性重构和心力衰竭重大心血管疾病的预防和治疗提供了新靶点和新途径。

 

据悉，北京大学分子医学研究所张茂博士为该论文的第一作者，张岩副研究员为论文的通讯作者，肖瑞平教授为资深作者。北京大学分子医学研究所的李川昀教授和胡新立副研究员、阜外医院的宋云虎教授、国家蛋白质科学中心（北京）的秦钧教授和安贞医院的兰峰教授，及他们的研究团队为该工作提供了大力支持。

 

原文链接：

https://www./articles/s41556-019-0380-8