运动通过线粒体自噬保护老龄小鼠免受冠状动脉内皮衰老

椎间盘疾病（IVDD）是一种脊柱退行性疾病。由于长时间站立和肥胖导致的椎间盘（IVD）机械超负荷已被广泛认为是IVDD的重要原因，而髓核（NP）承担了75%的压力。然而，机械超负荷诱导IVDD的具体机制尚未阐明。

谷胱甘肽过氧化酶4（GPX4）是主要的脂质过氧化物清除剂，在铁死亡中起着关键的调节作用。据报道，由机械超负荷激活的Piezo1离子通道导致的钙内流增强诱导GPX4-调控的铁死亡。已发现位于内质网膜（ER）的Piezo1的激活通过诱导ER的钙离子释放来增加细胞内游离钙。然而，机械超负荷是否会同时激活位于质膜和内质网膜上的Piezo1离子通道以升高NP 细胞内游离Ca2+的水平，从而导致GPX4调控的铁死亡仍有待确定。

硒蛋白K（SelK）是一种ER蛋白，已被证明与内质网应激和细胞抗氧化性有关。硒（Selenium）是一种必需的微量营养素，参与了抗氧化应激的保护。补充硒可以上调各种硒蛋白的表达，并且在滤泡辅助性T细胞中证明了Selenium-GPX4轴对铁死亡的保护作用。然而，目前还没有关于补硒是否可以通过上调NP细胞中的SelK和GPX4来减轻铁死亡的报道。

最近，在山东大学齐鲁医院骨科、病理科及美国布莱根妇女医院骨科的一项联合研究中，计划探索机械超负荷是否通过激活位于质膜和内质网膜上的Piezo1离子通道来阻碍GPX4的产生，从而导致NP细胞中的铁死亡。在上述过程中，研究员将确定促进ER应激的因素以及ER应激在铁死亡中的具体作用，此外，将验证补充硒是否可以通过上调GPX4和SelK来减轻机械超负荷诱导的NP细胞铁死亡。研究成果发表在Cellularand Molecular Life Sciences 期刊题为“Selenium-SelK-GPX4axis protects nucleus pulposus cells against mechanicaloverloading-induced ferroptosis and attenuates senescence ofintervertebral disc”。

首先，实验评估了自然增龄和衰老条件下FUNDC1表达的变化。8周龄幼鼠冠状动脉组织中的FUNDC1蛋白水平随着年龄的增长逐渐降低。18月龄的老年小鼠FUNDC1水平显著降低（图1A、B），促衰老的炎症因子IL-6和TNF-α的mRNA水平显著增强（图1C）。同样，在衰老的内皮细胞中也观察到FUNDC1的表达降低，IL-6和TNF-α水平较高（图1F）

进一步构建FUNDC1内皮特异性敲除（Fundc1fl/Y/Tek-Cre）小鼠。ECs中的FUNDC1缺失损害了ACh诱导的血管舒张，但不损害SNP，表明FUNDC1负责维持冠状动脉中正常的内皮依赖性血管舒张功能（图1G）。MI/R之后，FUNDC1基因敲除小鼠中积累的Gr-1+中性粒细胞明显增加（图1H），表明在MI/R损伤后中性粒细胞迁移和内皮通透性增加。eNOS磷酸化和VEGF表达降低以及ET-1上调也表明FUNDC1敲除小鼠的内皮功能障碍（图1I、J）。重要的是，EC特异性FUNDC1敲除加重了MI/R后心脏收缩功能降低（图1K）。这些数据表明，低FUNDC1表达导致冠状动脉功能障碍和MI/R损伤恶化。

图1 随着年龄的增长，FUNDC1水平降低。

接下来，为了阐明运动对年龄相关的FUNDC1下调和冠状动脉功能的影响，研究者对比了接受4周规律运动和久坐不运动的老年小鼠。结果表明，FUNDC1蛋白在运动小鼠的冠状动脉组织中显著上调，且ACh诱导的冠状动脉扩张显著增强，表明运动诱导的内皮依赖性血管舒张得到改善。在进行MI/R后，运动的老年小鼠的Gr-1+中性粒细胞迁移减少，且炎症标志物（如IL-6、IL-8和TNF-α）和粘附分子（如VCAM-1、ICAM-1）等均显著降低，表明运动保护MI/R在衰老中诱发的微血管高通透性。此外，老年运动小鼠的eNOS磷酸化恢复，ET-1水平降低，且缺血危险区的血管生成显著增加，左室收缩功能有所增强，也减轻了MI/R后的心脏损伤。这些数据表明，运动可防止随着年龄增长而下调的FUNDC1和冠状动脉功能障碍，并减少衰老心脏MI/R损伤的恶化。

为了检查运动对内皮衰老和功能的作用，对运动或久坐的老龄小鼠原代心脏微血管内皮细胞（CMECs）进行SA-β-gal染色。结果表明，老年小鼠SA-β-gal活性明显上升，而运动显著降低了这些水平，且逆转了衰老标志物p21和p53在老年CMECs中的水平。在老年小鼠CMECs中观察到相当高的衰老程度，但运动显著逆转了CMECs的衰老，改善了CMECs的血管生成能力。这表明，运动缓解了内皮衰老和功能障碍。

进一步地，实验探讨了线粒体损伤是否与衰老相关的内皮功能障碍有关。在老龄小鼠CMECs中观察到堆积的线粒体ROS和异常的线粒体膜电位，与久坐的小鼠相比，在运动老龄小鼠的CMECs中这些效应被减轻（图2A、B）。老龄小鼠的CMECs在用FCCP（一种线粒体自噬诱导剂）处理时表现出线粒体自噬受损。衰老导致整体红色mt-Keima荧光显著降低（图2C、D），线粒体LC3-II水平降低，p62水平升高，但这些效应通过运动逆转（图2E、F）。重要的是，衰老CMECs中受损的线粒体自噬是被运动保留（图2C-F）。老龄小鼠CMECs中线粒体自噬受体FUNDC1的水平也被证实较低，并且在运动老龄小鼠中恢复其表达（图2G、H）。这些数据表明，运动减少了衰老CMECs的线粒体损伤并恢复了线粒体自噬。

图2 运动可减少衰老CMECs的线粒体损伤并恢复线粒体自噬。

为了验证FUNDC1在运动诱导的冠状动脉保护中的作用，实验对Fundc1fl/Y和Fundc1fl/Y/Tek-Cre小鼠进行为期4周的定期运动训练。结果发现，运动改善Fundc1fl/Y小鼠MI/R后内皮细胞屏障功能、增强血管新生，改善心脏功能。然后在内皮细胞中过表达FUNDC1，观察到FUNDC1过表达显著降低了 CMECs中SA-β-gal活性，表明过表达的线粒体自噬受体 FUNDC1逆转了内皮细胞衰老。因此，FUNDC1过表达改善了EC功能，如管形成、迁移和增殖能力。此外，与运动的保护作用一致，FUNDC1过表达增强了ACh刺激的冠状动脉舒张、保护内皮屏障的完整性，恢复了老龄小鼠的eNOS磷酸化和VEGF表达，并降低了ET-1水平。重要的是，AAV-FUNDC1治疗显著改善了MI/R后的心脏收缩功能。这说明，FUNDC1过表达逆转了内皮衰老和功能障碍。

层流诱导的层流剪切应力（LSS）增加是运动诱导的内皮适应的重要机制。研究者利用层流装置来评估运动过程中FUNDC1基因表达的调控机制，并潜在鉴定启动FUNDC1转录的转录因子。生物信息学预测表明，FUNDC1含有PPARγ反应元件（PPRE）（图3A）。先前的研究表明，层流激活了ECs中的PPARγ。因此，实验评估了层流是否以PPARγ依赖性方式增强了CMECs中FUNDC1基因的表达。ChIP检测表明，PPARγ与CMECs中的FUNDC1启动子区域相互作用（图3B）。为了验证这一发现，用PPARγ特异性拮抗剂GW9662预处理CMECs，并暴露于20dyne/cm2 的层流剪切力中持续6小时。在GW9662处理下，层流诱导的LSS增加了CMECsPPARγ DNA-结合活性，抑制了流动诱导的PPARγ活性（图3C）。此外，GW9662显著减弱了FUNDC1的表达，但在静态条件下没有，表明PPARγ参与剪切力诱导的FUNDC1基因表达（图3D）。此外，与久坐小鼠相比，运动的老年小鼠血管组织中的PPARγ表达和活性增强（图3E、F）。这些数据表明，PPARγ在CMECs中负责层流调控的FUNDC1表达。

图3 CMECs中PPARγ与层流增强的FUNDC1基因表达有关。

总之，该研究表明，上调的FUNDC1和恢复的线粒体自噬有助于减少衰老过程中运动诱导的内皮衰老和MI/R损伤，运动过程中PPARγ在调节FUNDC1表达中起重要作用。抑制FUNDC1本身会导致内皮衰老，并消除运动对内皮细胞和MI/R损伤的保护作用。鉴于这些发现，FUNDC1可能是一个有希望的靶点，用于维持内皮线粒体稳态、防止内皮衰老，并可能通过血管内皮与心脏组织机制的“串扰”减少MI/R损伤（图3G）。

参考文献：MaL, Li K, Wei W, Zhou J, Li Z, Zhang T, Wangsun Y, Tian F, Dong Q,Zhang H, Xing W. Exercise protects aged mice against coronaryendothelial senescence via FUNDC1-dependent mitophagy. Redox Biol.2023 Jun;62:102693. doi: 10.1016/j.redox.2023.102693. Epub 2023 Apr1. PMID: 37030149; PMCID: PMC10113862.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37030149/

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