Cell Metab | 探索心衰的根源：HK1的错位与内皮细胞的困境

撰文 | 咸姐

心力衰竭（HF）是一种全球范围内常见的临床综合征，其特征是心脏无法满足身体对血液和氧气的需求。根据左心室射血分数（EF）的不同，心力衰竭可分为射血分数降低的心力衰竭（HFrEF）和射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）。HFpEF在老年人中更为常见，且常伴有多种合并症，如高血压、肾功能不全和糖尿病等【1,2】。尽管HFpEF的发病率和死亡率都很高，但其发病机制尚未完全明确，目前缺乏有效的治疗方法。

近年来，研究发现内皮细胞（ECs）功能障碍在HFpEF的发展中起着关键作用。内皮细胞是血管内皮的主要组成部分，它们通过调节血管张力、炎症反应和血管生成等过程来维持心血管系统的正常功能。内皮细胞功能障碍可能导致微血管功能障碍（MVD）。有研究报道，MVD在大多数的HFpEF患者中普遍存在，并且MVD与更严重的舒张功能障碍（DD）和主要不良心血管事件增加有关。此外，糖尿病和高血压等HFpEF的风险因素均与EC中蛋白质O-乙酰葡糖胺糖基化修饰（O-GlcNAcylation）的增加有关。O-GlcNAcylation是一种蛋白质翻译后修饰过程，涉及O-连接的N-乙酰葡糖胺（O-GlcNAc）的添加，它在调节蛋白质功能、细胞信号传导和代谢过程中发挥重要作用【3,4】。可以想象，HFpEF的病理生理学可能涉及EC中蛋白O-GlcNAcylation的增加，这是由一些易感因素导致的结果。

2025年4月22日，来自美国西北大学的Hossein Ardehali团队在Cell Metabolism上在线发表题为Protein O-GlcNAcylation and hexokinase mitochondrial dissociation drive heart failure with preserved ejection fraction的文章，揭示了己糖激酶1（HK1）在EC中高表达且在HFpEF条件下从线粒体解离，导致EC功能障碍，进而引发HFpEF的新机制。证明HK1的亚细胞定位调节了己糖胺生物合成途径（HBP）中间产物的供应，从而平衡了N-糖基化和O-GlcNAcylation。通过在EC中特异性过表达O-连接的N-乙酰葡糖胺糖苷酶（O-GlcNAcase，OGA）或药理学抑制O-连接的N-乙酰葡糖胺转移酶（O-GlcNAc transferase，OGT）可以有效减轻小鼠HFpEF模型中的心脏表型。由此强调了HK1线粒体结合在调节HBP中间产物平衡及其进入蛋白质糖基化机制中的重要作用，并为HFpEF的治疗提供了新靶点。

先前的研究表明，EC功能障碍在HFpEF的发展中起着关键作用，并且EC高度依赖糖酵解来产生能量和血管生成。因此，本文研究人员首先将研究重点放在EC糖酵解酶的变化如何影响HFpEF的发病机制上。通过分析单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据以及对小鼠心脏分离细胞的蛋白水平检测，研究人员发现HK1在EC中的表达显著高于其他心脏细胞类型，如心肌细胞（CMs）和成纤维细胞（FBs），表明HK1在EC的生理功能中起重要作用。

HK1在其N端含有线粒体结合结构域（MBD），能够与线粒体外膜（OMM）结合。本文研究人员通过使用高脂饮食（HFD）联合Nω-硝基-L-精氨酸甲酯（L-NAME）处理来诱导小鼠HFpEF模型，发现HFpEF小鼠心脏的EC中HK1的蛋白表达没有差异，但是其亚细胞定位从主要的线粒体结合转变为细胞质和细胞核定位。为了更好地确定HK1从线粒体中脱位对HFpEF进展的影响，研究人员构建了一种基因修饰小鼠模型（ΔE1HK1），该模型的内源性HK1基因的MBD被替换为FLAG序列，导致HK1无法正常结合到线粒体上。通过长期观察这些小鼠，研究人员发现，随着年龄的增长，线粒体中HK1的脱位与雄性小鼠明显的HFpEF表型相关，并在雌性小鼠中表现出舒张功能障碍（DD）的大部分特征，而且ΔE1HK1小鼠对HFD的反应更容易诱导HFpEF。值得一提的是，研究人员还发现，EC功能障碍可能先于心脏功能障碍，并可能推动HFpEF的发病机制。

随后，研究人员探索了ΔE1HK1小鼠心脏EC的血管生成潜能及其机制。在从ΔE1HK1小鼠心脏分离的EC中，HK1的蛋白水平保持不变，但从线粒体上脱位了。与野生型（WT）小鼠的EC相比，ΔE1HK1小鼠的EC在管状形成、细胞增殖和迁移能力方面均表现出显著降低，ΔE1HK1小鼠的EC表现出血管生成潜力降低，而这可能是由于不依赖于线粒体膜电位（MMP）的增殖和运动缺陷。与此同时，通过通过代谢组学分析，研究人员发现与WT小鼠的EC相比，ΔE1HK1小鼠的EC中HBP代谢物的水平显著降低，但是糖酵解、磷酸戊糖途径（PPP）和HBP的代谢通量，以及细胞能量状态均未发生改变，由此提示ΔE1HK1小鼠EC中HBP代谢物的减少可能与HBP下游的变化有关，包括蛋白质N-糖基化和O-GlcNAcylation过程。

研究人员首先研究了蛋白质N-糖基化，其是HBP的主要后果之一，发现HK1的线粒体解离导致EC中蛋白质N-糖基化水平显著降低。然而，实验结果显示，蛋白质N-糖基化的减少并不是EC血管生成能力缺陷的根本原因。为此，研究人员将焦点转移到HBP的另一个突出后果：O-GlcNAcylation。实验结果显示，ΔE1HK1小鼠或HFD联合L-NAME处理的小鼠的EC中O-GlcNAcylation水平均显著增加，而且O-GlcNAcylation水平的增加导致EC的血管生成能力显著下降，表现为管状结构形成减少、细胞增殖和迁移能力减弱。不过，研究人员发现，O-GlcNAcylation机制中两个关键酶——OGT和OGA的蛋白水平在WT和ΔE1HK1小鼠的心脏来源的EC之间并无显著差异，但是，使用OGT抑制剂（如ST045849和OSMI-1）处理ΔE1HK1小鼠的EC可以显著恢复EC的管状形成能力，表明O-GlcNAcylation水平的降低可以改善血管生成缺陷。与此同时，研究人员还发现，ΔE1HK1小鼠的EC中，HK1与OGT的共定位显著增加，表明HK1的线粒体解离导致其与OGT的相互作用增强，从而激活了OGT的活性。更重要的是，分析人类心脏组织样本后，研究人员发现与没有DD的心脏相比，存在DD的心脏中EC的O-GlcNAcylation水平显著增加。这些结果表明，EC中蛋白质O-GlcNAcylation水平的增加会导致血管生成能力的显著下降，这一现象与HK1的线粒体解离和OGT活性的增加密切相关——解离的HK1与OGT相互靠近，并激活了该酶的活性，进而导致HBP中间产物向O-GlcNAcylation机制的转移，并降低HBP途径中的代谢物水平。

最后，为了排除其他细胞的影响，研究人员利用四环素（DOX）诱导构建了EC特异性OGA过表达的小鼠模型（Tie2-Tet-OGA），研究结果表明，EC中OGA的过表达能够显著降低蛋白O-GlcNAcylation水平，并且逆转了HFpEF相关的病理表型，包括改善心脏舒张功能、减轻心脏肥大和降低心肌纤维化程度，从而证明EC中蛋白O-GlcNAcylation的逆转足以抵消HFpEF表型。此外，对ΔE1HK1与Tie2-Tet-OGA小鼠的杂交研究显示，尽管ΔE1HK1小鼠中HK1的MBD被完全删除，但蛋白O-GlcNAcylation，特别是在EC中的作用，在HFpEF的发展中起着关键作用。此外，体内药理学实验结果显示，使用OGT抑制剂5S-GlcNHex处理诱导HFpEF的小鼠模型，能够显著降低EC中的蛋白O-GlcNAcylation水平，并且有效逆转了HFpEF相关的心脏舒张功能障碍、心脏肥大和纤维化等病理表型，同时改善了小鼠的运动耐力，而且使用剂量对小鼠体重和收缩压没有影响，表明5S-GlcNHex可能被用作逆转HFpEF表型的潜在药理学方法，对解决这一普遍疾病具有重要的临床意义。

综上所述，本文研究结果揭示了HFpEF发病机制的关键分子机制：在HFpEF的背景下， EC中的HK1从线粒体解离，并且这种解离至少部分通过增加蛋白O-GlcNAcylation和EC功能障碍来诱导HFpEF的发生。本研究为开发HFpEF新的治疗策略提供了理论基础，通过调节EC中的蛋白O-GlcNAcylation水平，有望成为一种潜在的治疗方法，改善HFpEF患者的预后。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2025.04.001

制版人： 十一

参考文献

1.Bhatia, R.S., Tu, J.V., Lee, D.S., et al. (2006). Outcome of heart failure with preserved ejection fraction in a population-based study.N. Engl. J. Med.355, 260–269.

2. Dhingra, A., Garg, A., Kaur, S., et al. (2014). Epidemiology of heart failure with preserved ejection fraction.Curr. Heart Fail. Rep.11, 354–365.

3. Paulus, W.J., and Tscho¨ pe, C. (2013). A novel paradigm for heart failure with preserved ejection fraction: comorbidities drive myocardial dysfunction and remodeling through coronary microvascular endothelial inflammation.J. Am. Coll. Cardiol.62, 263–271.

4. Lima, V.V., Giachini, F.R., Carneiro, F.S., et al. (2010). O-GlcNAcylation contributes to augmented vascular reactivity induced by endothelin 1.Hypertension55, 180–188.

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