Cardiovasc Res 空军军医大学西京医院陶凌/王姗团队揭示心肌细胞骨架蛋白βII spectrin维持心脏功能的新机制

经典的细胞骨架是由微管(microtubule)、微丝(F-actin)或者中间纤维组成的复杂的、高度动态的蛋白质丝网络，不仅可以维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，而且在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递及细胞分化等方面发挥关键作用。除此之外，动物细胞中还存在一种以血影蛋白spectrin为基础的二维网状形式的膜骨架系统。血影蛋白βII (βII spectrin)是最常见的非红细胞血影蛋白亚型，在心脏中广泛表达。βII spectrin通过支架蛋白(如锚蛋白和4.1蛋白)与肌动蛋白细胞骨架和各种膜蛋白相互作用。然而，βII spectrin在维持心脏正常收缩功能及在心肌缺血损伤中的作用及机制尚未见报道。

2024年6月4日，空军军医大学西京医院陶凌/王姗教授团队在Cardiovascular Research杂志上在线发表了题为“Cardiomyocyte βII Spectrin Plays a Critical Role in Maintaining Cardiac Function by Regulating Mitochondrial Respiratory Function”的研究论文，首次揭示了βII Spectrin是维持线粒体稳态和心脏正常功能的重要细胞骨架元件，为相关疾病的治疗提供了新的思路及靶点。

首先，研究者发现在急性心肌梗死患者血清中βII spectrin降解片段含量升高。并且，在小鼠心肌缺血/再灌注(ischemia/reperfusion，I/R)损伤模型和小鼠乳鼠心肌细胞(mouse neonatal cardiomyocytes，NCMs)缺氧复氧损伤模型中，βII spectrin蛋白表达降低，而mRNA水平无明显变化。进一步研究发现，βII spectrin在NCMs缺氧复氧损伤中被降解为多个片段，其降解受钙蛋白酶的调控。这些研究结果表明，心肌I/R损伤后βII spectrin被钙蛋白酶降解。

为了明确βII spectrin在心脏生理和疾病中的作用，研究者利用βII spectrin^flox/flox小鼠和αMHC-CreER^T2小鼠杂交获得他莫昔芬诱导型心肌细胞特异性βII spectrin基因敲除(βII spectrin cKO)小鼠。研究者发现，在他莫昔芬诱导1周后，βII spectrin cKO小鼠与对照小鼠相比心功能无明显变化；然而在他莫昔芬诱导5周后，与对照小鼠相比，βII spectrin cKO小鼠自发出现心脏收缩功能异常，心肌肥大及纤维化。为了明确βII spectrin在心肌I/R损伤中的作用，研究者将他莫昔芬诱导1周的βII spectrin cKO小鼠(此时βII spectrin cKO小鼠尚未出现自发性心功能障碍)与对照小鼠进行I/R手术，发现心肌特异性敲除βII spectrin可加重I/R诱导的心肌细胞死亡和不良心脏重构。

为阐明βII spectrin维持心肌结构和功能的分子机制，研究者利用co-IP联合质谱分析的方法寻找与βII spectrin结合的潜在靶蛋白，并将寻找到的潜在靶蛋白进行GO和KEGG pathway富集分析，发现βII spectrin与线粒体功能密切相关。βII spectrin cKO小鼠在他莫昔芬诱导5周后出现心肌线粒体结构紊乱及氧化呼吸功能异常。线粒体氧化呼吸链各复合体活性检测发现，缺失βII spectrin明显降低线粒体复合体I活性，而对线粒体复合体II、III和IV的活性没有明显影响。并且βII spectrin与线粒体复合体I的亚基NDUFS1结合。敲低βII spectrin不影响NDUFS1的表达，但使线粒体中NDUFS1减少，细胞质中NDUFS1增多，并显著抑制了线粒体复合体I的组装及活性。进一步研究发现，敲低βII spectrin可使F-actin聚合降低，而F-actin促聚合剂可以恢复敲低βII spectrin所引起的线粒体复合体I活性降低。

最后，研究者通过心肌点注射含有靶向βII spectrin的small activating RNA (saRNA)的腺病毒在心肌中恢复βII spectrin的表达，发现过表达βII spectrin可减轻I/R损伤诱导的心脏收缩功能障碍，并且减少I/R损伤诱导心肌梗死面积和细胞凋亡水平。

综上，该研究提示βII spectrin是维持正常心脏功能和减轻心肌I/R损伤的重要细胞骨架元件，其与F-actin结合促进NDUFS1从细胞质到线粒体的易位调控线粒体复合体I的活性来维持线粒体稳态。这些发现阐明了心肌细胞βII spectrin在维持心脏正常结构和功能中的重要作用，为心肌I/R损伤及心衰的治疗提供新的思路和潜在靶点。

空军军医大学西京医院心血管内科的陶凌教授和王姗副研究员为文章共同通讯作者，硕士研究生杨容金、助理研究员阮班军、副主任医师王汝涛为文章的共同第一作者。上述工作得到了国家自然科学基金和国家科技部重点研发计划等项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/cvr/cvae116