氧-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）糖基化水平的升高是心力衰竭的標志之一[1]，但目前還尚不清楚過量的O-GlcNAc糖基化是否會引起心力衰竭和心肌病。
近日，由美國約翰霍普金斯大學(xué)的Mark Anderson和Priya Umapathi領(lǐng)銜的研究團隊在心血管領(lǐng)域頂級期刊Circulation發(fā)表重要研究成果，他們發(fā)現(xiàn)過量的O-GlcNAc糖基化確實可導(dǎo)致心力衰竭和心肌病，而且背后的機制可能是線粒體能量代謝受到阻斷。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，增加O-GlcNAc水解酶（OGA）活性和降低O-GlcNAc糖基化水平可能緩解心力衰竭和心肌病[2]。
這個研究明確了O-GlcNAc糖基化水平的升高是導(dǎo)致心力衰竭和心肌病發(fā)生的直接原因，并認為降低心肌中過量的O-GlcNAc糖基化可能成為一種新的治療心肌病的方法。
論文首頁截圖
O-GlcNAc糖基化是蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄和翻譯后一種特殊的糖修飾，它與細胞內(nèi)多種病理生理過程相關(guān)[3]。
O-GlcNAc糖基化的總水平由線粒體能量代謝調(diào)節(jié)決定，參與這一調(diào)節(jié)過程的兩種關(guān)鍵酶分別是：O-GlcNAc轉(zhuǎn)移酶（OGT）和O-GlcNAc水解酶（OGA）[4]。
然而，O-GlcNAc糖基化在不同心血管疾病的作用仍有爭論。
有研究人員發(fā)現(xiàn)，在梗死性心力衰竭疾病中，心肌細胞特異性缺失OGT，會導(dǎo)致O-GlcNAc糖基化水平下降，增加細胞凋亡和纖維化，從而加重心臟重塑，最終加劇心功能障礙和死亡率，這表明升高O-GlcNAc糖基化可能改善心力衰竭[5]。此外，在患有糖尿病或高血糖并伴隨心肌功能障礙的患者中，也有研究發(fā)現(xiàn)O-GlcNAc糖基化水平升高，并且OGT抑制劑可以改善病理性心肌肥大[1]。
不過，也有研究發(fā)現(xiàn)，在心力衰竭狀態(tài)下，細胞內(nèi)O-GlcNAc糖基化呈現(xiàn)明顯的升高[6]。這似乎意味著O-GlcNAc糖基化有害。
雖然目前O-GlcNAc糖基化升高是心力衰竭的標志之一，但尚不清楚過量的O-GlcNAc糖基化會引起還是促進心力衰竭和心肌病。
導(dǎo)致這種矛盾存在的主要原因是：病理性的應(yīng)激反應(yīng)對心臟的作用是很復(fù)雜的，并且目前還沒有基因工具手段可以在體內(nèi)獨立控制葡萄糖或病理應(yīng)激條件下的O-GlcNAc糖基化水平，這些都限制了人們對心肌病中O-GlcNAc糖基化作用的理解。
于是約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員們構(gòu)建了心肌細胞過表達OGA（OGA TG）的小鼠和心肌細胞過表達OGT（OGT TG）的小鼠，這兩種基因型小鼠可以獨立控制心肌中的O-GlcNAc糖基化水平，并能直接檢測升高的O-GlcNAc糖基化究竟是心肌病的原因還是結(jié)果。
接下來，咱們就一起來看看研究人員是如何開展相關(guān)研究的。
他們首先使用主動脈弓縮窄（TAC）模型來模擬人類左心室肥大和心力衰竭的病理生理過程[7]。結(jié)果表明，在TAC誘導(dǎo)的心力衰竭小鼠中，O-GlcNAc糖基化水平顯著升高。
這些結(jié)果與之前的研究結(jié)果是一致的，即在心臟受到病理性應(yīng)激反應(yīng)時，O-GlcNAc糖基化增加。
在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，他們接下來想知道在心臟受到持續(xù)的應(yīng)激刺激時，降低O-GlcNAc糖基化是否可緩解心力衰竭。
（A）小鼠主動脈弓縮窄（TAC）模型示意圖
（B）在TAC誘導(dǎo)的心力衰竭小鼠中，O-GlcNAc糖基化水平顯著升高
為了檢測在病理性應(yīng)激條件下降低O-GlcNAc糖基化水平是否對心力衰竭具有保護作用，他們建立了心肌細胞過表達OGA（OGA TG）的小鼠，發(fā)現(xiàn)OGA TG小鼠心臟中的O-GlcNAc糖基化水平降低。
隨后對OGA TG小鼠進行TAC手術(shù)造模，與TAC術(shù)后的野生型（WT）小鼠相比，OGA TG小鼠的左心室肥大和心力衰竭得到了明顯的緩解，不會引起心肌病。
由此可見，心肌中過量的O-GlcNAc糖基化與病理性應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)，而增加OGA的表達可以降低過量的O-GlcNAc糖基化，并保護TAC術(shù)后的心肌肥大和心力衰竭。
OGA過表達降低O-GlcNAc糖基化水平以及改善心肌肥大和心力衰竭
接下來研究人員們建立了心肌細胞過表達OGT（OGT TG）的小鼠，發(fā)現(xiàn)沒有經(jīng)過TAC手術(shù)的OGT TG小鼠心臟中O-GlcNAc糖基化水平就是升高的，并且發(fā)生了擴張性心肌病，左心室射血分數(shù)降低，左心室直徑增加，左心室功能降低和過早死亡。
此外，他們通過手術(shù)在小鼠體內(nèi)植入心電圖檢測儀觀察到，OGT TG小鼠會出現(xiàn)心動過緩、心動過速和室顫等心律失常表征。以上現(xiàn)象可能也是導(dǎo)致小鼠過早死亡的部分原因。
由于TAC模型后的病理性心肌肥大和心力衰竭與線粒體能量代謝紊亂有關(guān)，并且線粒體復(fù)合物I是O-GlcNAc糖基化增加和改變線粒體呼吸功能的靶點[8]。于是他們檢測了線粒體復(fù)合物I，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，OGT TG小鼠心臟中復(fù)合物I的表達和活性顯著降低。
這些結(jié)果表明，心肌中O-GlcNAc糖基化的升高可能不依賴于病理性應(yīng)激反應(yīng)，OGT的增加也會導(dǎo)致O-GlcNAc糖基化的增加，從而引起擴張性心肌病，心律失常和過早死亡，并且這些可能是由線粒體能量代謝受到抑制所引起的。
過表達OGT使O-GlcNAc糖基化水平升高，以及導(dǎo)致心力衰竭、心肌病和過早死亡
研究人員們通過在OGT TG小鼠中的發(fā)現(xiàn)，解釋了過量的O-GlcNAc糖基化是導(dǎo)致心肌病的直接原因。
然而他們也存在疑慮：過表達OGT是否可能也有其他的病理作用，且不依賴于O-GlcNAc糖基化。
為了進一步探究這些假設(shè)，他們對OGA TG小鼠與OGT TG小鼠進行了雜交，發(fā)現(xiàn)雜交后的雙轉(zhuǎn)基因小鼠，盡管心肌中的OGT升高，但是O-GlcNAc糖基化水平降低，并且左心室射血分數(shù)和左心室擴張得到顯著改善，緩解心肌病的發(fā)生發(fā)展和過早死亡。
由此可見，OGT TG小鼠的心肌病是由O-GlcNAc糖基化水平升高引起的，而不是轉(zhuǎn)基因過表達蛋白的非特異性結(jié)果。
OGT X OGA雙轉(zhuǎn)基因小鼠的O-GlcNAc糖基化水平降低，以及緩解心力衰竭、心肌病和過早死亡
最后研究人員們使用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和功能實驗表明，OGT TG小鼠心臟中線粒體能量代謝中斷，以及復(fù)合物I的活性降低，但雜交的轉(zhuǎn)基因小鼠的復(fù)合物I的活性得到了恢復(fù)。
綜上，過量的O-GlcNAc糖基化可導(dǎo)致心肌病，這可能是由于線粒體能量代謝受到阻斷，而增加OGA活性和降低O-GlcNAc糖基化水平可能緩解心力衰竭和心肌病。
我們都知道，心肌中O-GlcNAc糖基化水平升高與多種心血管疾病和代謝性疾病相關(guān)，如主動脈狹窄、高血壓、缺血和糖尿病等。
本研究提供了可以獨立控制心肌中O-GlcNAc糖基化水平的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，來闡明心肌中O-GlcNAc糖基化可能不依賴于病理性應(yīng)激反應(yīng)。并且心肌中O-GlcNAc糖基化水平升高會引起擴張性心肌病和過早死亡，而心肌中過表達OGA可使O-GlcNAc糖基化水平降低，對病理性心肌肥大具體保護作用。
這提示了我們，降低心肌中過量的O-GlcNAc糖基化可能有助于心力衰竭的治療，且O-GlcNAc糖基化有望成為新的治療心肌病的靶點，對臨床應(yīng)用具有重要意義。
參考文獻：
[1] Lunde IG, Aronsen JM, Kval?y H, et al. Cardiac O-GlcNAc signaling is increased in hypertrophy and heart failure. Physiol Genomics. 2012;44(2):162-172. doi:10.1152/physiolgenomics.00016.2011
[2] Umapathi P, Mesubi OO, Banerjee PS, et al. Excessive O-GlcNAcylation Causes Heart Failure and Sudden Death [published correction appears in Circulation. 2021 Apr 27;143(17):e892]. Circulation. 2021;143(17):1687-1703. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.120.051911
[3] Wright JN, Collins HE, Wende AR, Chatham JC. O-GlcNAcylation and cardiovascular disease. Biochem Soc Trans. 2017;45(2):545-553. doi:10.1042/BST20160164
[4] Jensen RV, Andreadou I, Hausenloy DJ, B?tker HE. The Role of O-GlcNAcylation for Protection against Ischemia-Reperfusion Injury. Int J Mol Sci. 2019;20(2):404. Published 2019 Jan 18. doi:10.3390/ijms20020404
[5] Watson LJ, Facundo HT, Ngoh GA, et al. O-linked β-N-acetylglucosamine transferase is indispensable in the failing heart. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010;107(41):17797-17802. doi:10.1073/pnas.1001907107
[6] Gélinas R, Mailleux F, Dontaine J, et al. AMPK activation counteracts cardiac hypertrophy by reducing O-GlcNAcylation. Nat Commun. 2018;9(1):374. Published 2018 Jan 25. doi:10.1038/s41467-017-02795-4
[7] Zhao H, Yang H, Geng C, et al. Role of IgE-FcεR1 in Pathological Cardiac Remodeling and Dysfunction. Circulation. 2021;143(10):1014-1030. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.120.047852
[8] Banerjee PS, Ma J, Hart GW. Diabetes-associated dysregulation of O-GlcNAcylation in rat cardiac mitochondria. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(19):6050-6055. doi:10.1073/pnas.1424017112
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