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心肌梗死是成人过早死亡的主要原因，心梗会使心脏功能受损，导致心力衰竭。因此，提高心梗后的心功能是治疗心衰的有效治疗措施。 虽然目前已有多种促进心肌收缩力的药物，但是此类药物可能会增加严重心衰患者的发病率和死亡率，这限制了它们的临床应用[1]。因此，寻找能够改善心脏的泵血能力和心肌收缩力的药物来治疗心衰对于科学家们和医生们是巨大的挑战。 近日，由英国剑桥大学Xuan Li领衔的研究团队在顶级期刊《自然》发表重要研究成果，他们发现微管亲和调节激酶4（MARK4）缺失对心肌梗死和心力衰竭具有保护作用。 与心脏中存在MARK4的小鼠相比，在没有MARK4的情况下，同样心脏受到损伤小鼠的心脏泵血能力可以提升57%[2]。 这个研究解释了MARK4是如何通过心肌细胞中微管去酪氨酸化来调节心肌的收缩力，并提出了MARK4可能作为改善心肌梗死和心力衰竭的有效治疗靶点。剑桥大学的Xian Yu和华中科技大学同济医学院的Xiao Chen是论文的共同第一作者。  论文首页截图 看到上面的句子，大家是不是都觉得需要课代表，毕竟这是一篇CNS级别的文章，但是没关系，下面大家一起跟随我来看看，解读一下大牛们是如何探索一个科学问题的，以及它对于我们的意义。 近年来，心肌梗死离我们越来越近，经常在新闻中看到有人突然心梗而离开人世，因此心梗也得到了人们越来越多的关注。 心肌梗死是缺血性心脏病和慢性心力衰竭的主要原因，心脏中的血液供应遭受到了阻断，从而导致心肌细胞大量的死亡，而剩余的活细胞的功能也逐渐丧失[3]。 那么，如何改善心脏病发作患者的心脏供血能力，是治疗心肌梗死面临的重要问题。而要恢复心脏的供血能力的话，增强心肌细胞的收缩和舒张能力是关键环节。 于是研究人员们很睿智的从细胞结构骨架本身入手，猜测是否细胞骨架的某些变化就会产生“蝴蝶效应”，最终影响心肌梗死和心力衰竭的发病呢？说到细胞结构骨架，就要提到微管了。  简单来说，微管是一种维持细胞形态的纤维结构，在细胞分裂、信号转导及物质输送等过程中起着重要作用。微管稳定性是由微管相关蛋白(MAP)调控，其中MAP4在心肌病患者的心脏中表达显著升高，MAP4去磷酸化也在心肌肥厚的猫科动物模型中被发现[4,5]。 MARK4是一种丝氨酸苏氨酸激酶，在心脏中表达，它能磷酸化MAP，使细胞构象发生变化，改变MAP与微管的关系，从而调节微管动态变化[6]。 提到微管动态变化的改变，就不得不说微管去酪氨酸化了，它在其中发挥重要作用。 并且，在缺血性心肌病和肥厚性心肌病患者的心脏中，微管去酪氨酸化作用上调，抑制微管去酪氨酸化可提高心肌细胞收缩力，说明微管去酪氨酸化也是调节心肌细胞收缩舒张的重要机制。  另外，血管素1（VASH1）和血管素2（VASH2）可与血管抑素结合蛋白（SVBP）结合，形成具有微管去酪氨酸化作用的微管蛋白羧肽酶（TCP），而且缺失VASH1会增加心肌细胞收缩和舒张的速度[7]。结构与生物物理学研究表明，VASH也可与α-微管蛋白的c端相互作用而调节微管功能。然而，人们对在衰竭的心肌细胞中MARK与MAP4磷酸化和微管去酪氨酸化之间的关系仍知之甚少。 于是剑桥大学的研究人员们就想知道：MARK4是否可以通过微管去酪氨酸化调节心衰中心肌细胞功能呢？ 为了评估MARK4在缺血性心脏病中的作用，他们使用了小鼠左前降支冠状动脉结扎（LAD）的心肌梗死模型，发现在心肌梗死后第3天到第5天时MARK4的水平达到峰值，并且将MARK4定位在了心肌细胞。  心肌梗死后第1、3、5和7天时MARK4的表达水平 接着他们使用了MARK4全身性敲除（Mark4−/−）小鼠进行LAD手术造模4周，而在第一周后已看到明显差异，Mark4−/−小鼠的左心室射血分数（LVEF，衡量心衰心功能的标志之一）明显升高，比野生型对照组小鼠升高了63.6%。但是两组之间的梗死面积大小没有差异，说明两组小鼠心功能之间的差异不是因为现存活的心脏组织大小的差异决定的。  Mark4−/−小鼠的左心室射血分数（LVEF） 他们又使用了心肌细胞特异性敲除Mark4（Mark4 cKO）小鼠，发现在心肌梗死后，MarkK4 cKO小鼠的LVEF显著上升，并且心肌梗死后的第一天，在Mark4 cKO小鼠中就观察到了它的保护作用，一直持续到4周结束，同样梗死面积没有差异。 这些结果都说明了，心肌细胞中的MARK4对心肌梗死后的心功能调节具有保护作用。 为了进一步检测MARK4对心肌细胞功能的影响，他们从野生型小鼠和Mark4−/−小鼠中分离了原代心肌细胞，进行单细胞收缩实验，结果显示，心肌细胞的肌节峰值缩短与LVEF呈正相关性，表明离体测量的原代心肌细胞收缩可以反映（代替）体内评估LVEF的情况。 野生型小鼠心肌梗死后，心肌细胞肌节缩短减少和舒张速度较慢，而同样进行LAD手术的Mark4−/−小鼠的心肌细胞肌节缩短增加，并且舒张速度较快。表明MARK4缺失可以改善心肌梗死后心肌细胞的收缩舒张功能。 接下来就到了这个研究的重头戏，研究人员们提取了Mark4−/−小鼠的心脏和原代心肌细胞，结果发现，与心肌梗死的野生型小鼠相比，Mark4−/−小鼠的微管去酪氨酸化水平显著降低。  心肌梗死后两组小鼠的原代心肌细胞的微管去酪氨酸化水平 并且，在Mark4−/−小鼠中观察到，在没有MARK4的情况下，α-微管蛋白的水平降低，表明不含MARK4的游离微管蛋白的百分比降低。同时他们发现微管去酪氨酸化水平与LVEF呈负相关。这说明MARK4依赖的微管去酪氨酸化在调节心肌梗死后的心功能中具有重要作用。 为了进一步验证MARK4缺失可通过微管去酪氨酸化来改善心肌细胞收缩性，他们使用了过表达微管酪氨酸连接酶(TTL)的腺病毒。TTL过表达显著改善心肌梗死中心肌细胞的肌节峰值缩短，并增加了收缩和舒张的速度。这更有力的说明了MARK4通过心肌细胞的微管去酪氨酸化来调节心肌收缩性。 讲到这里，大家是不是有了一定的理解，那还记得前面提到的MAP4磷酸化吗？ 研究人员们假设MARK4通过MAP4磷酸化，影响VASH对α-微管蛋白c端的亲和力，从而调节微管去酪氨酸化。  在MARK4依赖性磷酸化之前或之后，MAP4和微管之间可能的联系示意图 因此，他们使用了体外微管共沉降试验进行验证。当MAP4和VASH2-SVBP单独给予刺激时都能够结合聚合的微管，并且在MAP4表达增加的情况下，结合于聚合微管的VASH2-SVBP会逐渐减少。这些结果都验证了MAP4的表达会影响VASH2对微管的调节。 为了在体内验证这一假设，他们还是分离了原代心肌细胞，首先证明了MAP4在心肌细胞中表达，且在心肌梗死后显著升高，并且也发现了MAP4磷酸化，这还与VASH2水平呈正相关，同时VASH2水平还与肌蛋白水平呈正相关。此外，在Mark4−/−小鼠的心肌细胞中，MAP4磷酸化水平也是显著降低的。总之，这些结果表明MARK4通过MAP4磷酸化，使VASH2进入微管，来发挥它的TCP活性。 最后研究人员们通过超分辨率显微镜，从心肌梗死小鼠中分离原代心肌细胞，观察到VASH2很明显的表达在心肌细胞微管上，而Mark4−/−小鼠的心肌细胞中VASH2和微管之间的相关性明显降低。  心肌梗死后两组小鼠的原代心肌细胞中VASH2和微管蛋白之间的共定位 综上，MARK4通过微管去酪氨酸化调节心肌梗死和缺血性心力衰竭，这可能是由于MARK4促进MAP4磷酸化调节心肌细胞收缩力，以及VASH2进入微管使α-微管蛋白的去酪氨酸化所导致，而MARK4有望成为治疗心肌梗死和心力衰竭的一个新靶点。 我们都知道，微管去酪氨酸化会影响心脏中心肌细胞的收缩功能，而靶向调控微管去酪氨酸化可能成为一种改善心功能的新策略。 这个研究发现，MARK4在调节缺血性心肌病中的微管去酪氨酸化，和心肌细胞收缩力中发挥重要作用。在心肌梗死的心脏中，MARK4的表达上升，并在MARK4缺失的情况下，心肌梗死得到了好转，对缺血性心力衰竭具有保护作用。  心肌梗塞后MARK4依赖性调节微管去酪氨酸化的示意图 但是，关于MARK4缺失对心肌梗死后心功能的保护作用能否是长期保持，并且不引起副作用，以及抑制MARK4能否改善非缺血性心力衰竭的心肌收缩功能，还有待进一步探究。 总之，这篇研究提示了我们，MARK4缺失可能有助于心肌梗死的治疗，且MARK4有望成为新的治疗缺血性心力衰竭的靶点，对临床应用具有重要意义。  参考文献： [1] Packer M, Carver JR, Rodeheffer RJ, et al. Effect of oral milrinone on mortality in severe chronic heart failure. The PROMISE Study Research Group. N Engl J Med. 1991;325(21):1468-1475. doi:10.1056/NEJM199111213252103 [2] Yu X, Chen X, Amrute-Nayak M, et al. MARK4 controls ischaemic heart failure through microtubule detyrosination [published online ahead of print, 2021 May 26]. Nature. 2021;10.1038/s41586-021-03573-5. doi:10.1038/s41586-021-03573-5 [3] Anderson JL, Morrow DA. Acute Myocardial Infarction. N Engl J Med. 2017;376(21):2053-2064. doi:10.1056/NEJMra1606915 [5] Chen CY, Caporizzo MA, Bedi K, et al. Suppression of detyrosinated microtubules improves cardiomyocyte function in human heart failure. Nat Med. 2018;24(8):1225-1233. doi:10.1038/s41591-018-0046-2 [5] Chinnakkannu P, Samanna V, Cheng G, et al. Site-specific microtubule-associated protein 4 dephosphorylation causes microtubule network densification in pressure overload cardiac hypertrophy. J Biol Chem. 2010;285(28):21837-21848. doi:10.1074/jbc.M110.120709 [6] Illenberger S, Drewes G, Trinczek B, et al. Phosphorylation of microtubule-associated proteins MAP2 and MAP4 by the protein kinase p110mark. Phosphorylation sites and regulation of microtubule dynamics. J Biol Chem. 1996;271(18):10834-10843. doi:10.1074/jbc.271.18.10834 [7] Chen CY, Salomon AK, Caporizzo MA, et al. Depletion of Vasohibin 1 Speeds Contraction and Relaxation in Failing Human Cardiomyocytes. Circ Res. 2020;127(2):e14-e27. doi:10.1161/CIRCRESAHA.119.315947 |
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