撰文 | 咸姐

心力衰竭（HF）是一種全球范圍內(nèi)常見的臨床綜合征，其特征是心臟無法滿足身體對血液和氧氣的需求。根據(jù)左心室射血分?jǐn)?shù)（EF）的不同，心力衰竭可分為射血分?jǐn)?shù)降低的心力衰竭（HFrEF）和射血分?jǐn)?shù)保留的心力衰竭（HFpEF）。HFpEF在老年人中更為常見，且常伴有多種合并癥，如高血壓、腎功能不全和糖尿病等【1,2】。盡管HFpEF的發(fā)病率和死亡率都很高，但其發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，目前缺乏有效的治療方法。

近年來，研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）功能障礙在HFpEF的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。內(nèi)皮細(xì)胞是血管內(nèi)皮的主要組成部分，它們通過調(diào)節(jié)血管張力、炎癥反應(yīng)和血管生成等過程來維持心血管系統(tǒng)的正常功能。內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙可能導(dǎo)致微血管功能障礙（MVD）。有研究報(bào)道，MVD在大多數(shù)的HFpEF患者中普遍存在，并且MVD與更嚴(yán)重的舒張功能障礙（DD）和主要不良心血管事件增加有關(guān)。此外，糖尿病和高血壓等HFpEF的風(fēng)險(xiǎn)因素均與EC中蛋白質(zhì)O-乙酰葡糖胺糖基化修飾（O-GlcNAcylation）的增加有關(guān)。O-GlcNAcylation是一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾過程，涉及O-連接的N-乙酰葡糖胺（O-GlcNAc）的添加，它在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和代謝過程中發(fā)揮重要作用【3,4】。可以想象，HFpEF的病理生理學(xué)可能涉及EC中蛋白O-GlcNAcylation的增加，這是由一些易感因素導(dǎo)致的結(jié)果。

2025年4月22日，來自美國西北大學(xué)的Hossein Ardehali團(tuán)隊(duì)在Cell Metabolism上在線發(fā)表題為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中高表達(dá)且在HFpEF條件下從線粒體解離，導(dǎo)致EC功能障礙，進(jìn)而引發(fā)HFpEF的新機(jī)制。證明HK1的亞細(xì)胞定位調(diào)節(jié)了己糖胺生物合成途徑（HBP）中間產(chǎn)物的供應(yīng)，從而平衡了N-糖基化和O-GlcNAcylation。通過在EC中特異性過表達(dá)O-連接的N-乙酰葡糖胺糖苷酶（O-GlcNAcase，OGA）或藥理學(xué)抑制O-連接的N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶（O-GlcNAc transferase，OGT）可以有效減輕小鼠HFpEF模型中的心臟表型。由此強(qiáng)調(diào)了HK1線粒體結(jié)合在調(diào)節(jié)HBP中間產(chǎn)物平衡及其進(jìn)入蛋白質(zhì)糖基化機(jī)制中的重要作用，并為HFpEF的治療提供了新靶點(diǎn)。

先前的研究表明，EC功能障礙在HFpEF的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，并且EC高度依賴糖酵解來產(chǎn)生能量和血管生成。因此，本文研究人員首先將研究重點(diǎn)放在EC糖酵解酶的變化如何影響HFpEF的發(fā)病機(jī)制上。通過分析單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)以及對小鼠心臟分離細(xì)胞的蛋白水平檢測，研究人員發(fā)現(xiàn)HK1在EC中的表達(dá)顯著高于其他心臟細(xì)胞類型，如心肌細(xì)胞（CMs）和成纖維細(xì)胞（FBs），表明HK1在EC的生理功能中起重要作用。

HK1在其N端含有線粒體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（MBD），能夠與線粒體外膜（OMM）結(jié)合。本文研究人員通過使用高脂飲食（HFD）聯(lián)合Nω-硝基-L-精氨酸甲酯（L-NAME）處理來誘導(dǎo)小鼠HFpEF模型，發(fā)現(xiàn)HFpEF小鼠心臟的EC中HK1的蛋白表達(dá)沒有差異，但是其亞細(xì)胞定位從主要的線粒體結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核定位。為了更好地確定HK1從線粒體中脫位對HFpEF進(jìn)展的影響，研究人員構(gòu)建了一種基因修飾小鼠模型（ΔE1HK1），該模型的內(nèi)源性HK1基因的MBD被替換為FLAG序列，導(dǎo)致HK1無法正常結(jié)合到線粒體上。通過長期觀察這些小鼠，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，線粒體中HK1的脫位與雄性小鼠明顯的HFpEF表型相關(guān)，并在雌性小鼠中表現(xiàn)出舒張功能障礙（DD）的大部分特征，而且ΔE1HK1小鼠對HFD的反應(yīng)更容易誘導(dǎo)HFpEF。值得一提的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，EC功能障礙可能先于心臟功能障礙，并可能推動(dòng)HFpEF的發(fā)病機(jī)制。

隨后，研究人員探索了ΔE1HK1小鼠心臟EC的血管生成潛能及其機(jī)制。在從ΔE1HK1小鼠心臟分離的EC中，HK1的蛋白水平保持不變，但從線粒體上脫位了。與野生型（WT）小鼠的EC相比，ΔE1HK1小鼠的EC在管狀形成、細(xì)胞增殖和遷移能力方面均表現(xiàn)出顯著降低，ΔE1HK1小鼠的EC表現(xiàn)出血管生成潛力降低，而這可能是由于不依賴于線粒體膜電位（MMP）的增殖和運(yùn)動(dòng)缺陷。與此同時(shí)，通過通過代謝組學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)與WT小鼠的EC相比，ΔE1HK1小鼠的EC中HBP代謝物的水平顯著降低，但是糖酵解、磷酸戊糖途徑（PPP）和HBP的代謝通量，以及細(xì)胞能量狀態(tài)均未發(fā)生改變，由此提示ΔE1HK1小鼠EC中HBP代謝物的減少可能與HBP下游的變化有關(guān)，包括蛋白質(zhì)N-糖基化和O-GlcNAcylation過程。

研究人員首先研究了蛋白質(zhì)N-糖基化，其是HBP的主要后果之一，發(fā)現(xiàn)HK1的線粒體解離導(dǎo)致EC中蛋白質(zhì)N-糖基化水平顯著降低。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，蛋白質(zhì)N-糖基化的減少并不是EC血管生成能力缺陷的根本原因。為此，研究人員將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到HBP的另一個(gè)突出后果：O-GlcNAcylation。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，ΔE1HK1小鼠或HFD聯(lián)合L-NAME處理的小鼠的EC中O-GlcNAcylation水平均顯著增加，而且O-GlcNAcylation水平的增加導(dǎo)致EC的血管生成能力顯著下降，表現(xiàn)為管狀結(jié)構(gòu)形成減少、細(xì)胞增殖和遷移能力減弱。不過，研究人員發(fā)現(xiàn)，O-GlcNAcylation機(jī)制中兩個(gè)關(guān)鍵酶——OGT和OGA的蛋白水平在WT和ΔE1HK1小鼠的心臟來源的EC之間并無顯著差異，但是，使用OGT抑制劑（如ST045849和OSMI-1）處理ΔE1HK1小鼠的EC可以顯著恢復(fù)EC的管狀形成能力，表明O-GlcNAcylation水平的降低可以改善血管生成缺陷。與此同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)，ΔE1HK1小鼠的EC中，HK1與OGT的共定位顯著增加，表明HK1的線粒體解離導(dǎo)致其與OGT的相互作用增強(qiáng)，從而激活了OGT的活性。更重要的是，分析人類心臟組織樣本后，研究人員發(fā)現(xiàn)與沒有DD的心臟相比，存在DD的心臟中EC的O-GlcNAcylation水平顯著增加。這些結(jié)果表明，EC中蛋白質(zhì)O-GlcNAcylation水平的增加會(huì)導(dǎo)致血管生成能力的顯著下降，這一現(xiàn)象與HK1的線粒體解離和OGT活性的增加密切相關(guān)——解離的HK1與OGT相互靠近，并激活了該酶的活性，進(jìn)而導(dǎo)致HBP中間產(chǎn)物向O-GlcNAcylation機(jī)制的轉(zhuǎn)移，并降低HBP途徑中的代謝物水平。

最后，為了排除其他細(xì)胞的影響，研究人員利用四環(huán)素（DOX）誘導(dǎo)構(gòu)建了EC特異性O(shè)GA過表達(dá)的小鼠模型（Tie2-Tet-OGA），研究結(jié)果表明，EC中OGA的過表達(dá)能夠顯著降低蛋白O-GlcNAcylation水平，并且逆轉(zhuǎn)了HFpEF相關(guān)的病理表型，包括改善心臟舒張功能、減輕心臟肥大和降低心肌纖維化程度，從而證明EC中蛋白O-GlcNAcylation的逆轉(zhuǎn)足以抵消HFpEF表型。此外，對ΔE1HK1與Tie2-Tet-OGA小鼠的雜交研究顯示，盡管ΔE1HK1小鼠中HK1的MBD被完全刪除，但蛋白O-GlcNAcylation，特別是在EC中的作用，在HFpEF的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。此外，體內(nèi)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用OGT抑制劑5S-GlcNHex處理誘導(dǎo)HFpEF的小鼠模型，能夠顯著降低EC中的蛋白O-GlcNAcylation水平，并且有效逆轉(zhuǎn)了HFpEF相關(guān)的心臟舒張功能障礙、心臟肥大和纖維化等病理表型，同時(shí)改善了小鼠的運(yùn)動(dòng)耐力，而且使用劑量對小鼠體重和收縮壓沒有影響，表明5S-GlcNHex可能被用作逆轉(zhuǎn)HFpEF表型的潛在藥理學(xué)方法，對解決這一普遍疾病具有重要的臨床意義。

綜上所述，本文研究結(jié)果揭示了HFpEF發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵分子機(jī)制：在HFpEF的背景下， EC中的HK1從線粒體解離，并且這種解離至少部分通過增加蛋白O-GlcNAcylation和EC功能障礙來誘導(dǎo)HFpEF的發(fā)生。本研究為開發(fā)HFpEF新的治療策略提供了理論基礎(chǔ)，通過調(diào)節(jié)EC中的蛋白O-GlcNAcylation水平，有望成為一種潛在的治療方法，改善HFpEF患者的預(yù)后。

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

制版人： 十一

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