Research：税光厚团队揭示心脏结构/代谢成熟过程中的动态膜脂特征

  研究背景：

心脏脂质代谢与其生理学密切相关。细胞内脂质代谢的异常调节会影响线粒体的氧化磷酸化，从而损害心脏功能。胎儿所处心脏环境的特点是低氧，心肌能量主要来自糖酵解和乳酸氧化。出生后，新生儿心脏迅速增加线粒体氧化磷酸化，并使能量底物偏好脂肪酰基，从而增加心脏能量输出，以满足增强的代谢需求，并对抗血管阻力升高。

心肌细胞是心脏的工作单位，含有丰富的线粒体，产生能够维持心脏收缩的能量。心磷脂（CL）位于线粒体内膜（IMM），是线粒体的标志性磷脂亚类。CL对维持线粒体嵴的超微结构至关重要，线粒体嵴由IMM向内折叠而成，是氧化磷酸化的主要位点，其可以根据细胞代谢需求进行重塑，以微调线粒体功能。

因此，阐明从产前到产后心脏器官发生的分子和代谢基础，可以帮助我们更好地理解个体心脏如何在成年后调节代谢的灵活性。然而，心脏器官发育的全面脂质图谱目前仍然缺乏。膜脂组成影响心脏功能和生理。代谢的膜起搏器理论认为二十二碳六烯酸（DHA）是影响膜脂质多不饱和程度的重要因素，会微调跨膜蛋白的分子活性，特别是质膜上的钠/钾（Na⁺/K⁺）泵和线粒体内膜上的质子泵（H⁺转运ATP合成酶），对基础细胞代谢产生决定性影响。

研究人员系统性选取了7个发育关键时间点（E10.5、E14.5、E17.5、P0、P1、P7和P21）的小鼠心脏样品，涵盖产前/胚胎（E）和产后（P）心脏发育过程。利用高覆盖定量脂质组学方法对来自31个主要类脂质亚类的861种脂质进行了量化。单个样本的聚类树状图显示出高度的组内一致性。主成分分析（PCA）的第一维度（Dim-1）更多地基于心脏结构发育程度将样本分离，第二维度（Dim-2）根据代谢差异（从糖酵解到线粒体氧化磷酸化增强）将心脏样本分开，P1大约标志着出生后代谢转变的开始。这些脂质变化表明线粒体在出生后心脏发育的代谢转变中发挥重要作用，磷脂酰甘油（PG）和磷脂酰乙醇胺（PE）可能参与这一过程。

发育过程中心脏的全局脂质组

接着，研究人员使用maSigPro从时间进程脂质组数据中识别具有统计学意义的差异表达谱，该数据鉴定出448个发育动态脂质（DDL），分为五个主要聚类。通过对所有脂质的脂肪酰基链长和双键的变化进行探究后发现：全心脏发育过程中，CL、PC和PE的成员的酰基链长度和不饱和度增加，主要原因是DHA PC和DHA PE（C22:6）的形成增加。同时，CL的酰基成分更多地从C16:1转化为C18:2、C20:3和C20:4。CL、PC和PE之间的脂质共调节分析表明，随着出生后发育的进展，PE可能为CL重塑提供这些多不饱和酰基底物，或者PEs和CLs可能在出生后代谢过渡期间协同作用。

maSigPro在心脏中鉴定了五组发育动态脂质（DDL）

心脏发育过程中脂肪酰基链长度和双键的变化

脂质的不饱和度与质膜的流动性息息相关，随后，研究人员探究了反映膜各向异性的几种脂质指数，特别是脂筏组分（即胆固醇（Cho）和鞘脂）在整个发育过程中的比率变化。发现随着心脏发育的进展，脂质膜中的胆固醇/磷脂（Cho/PL）比率降低，此比值被广泛认可为质膜流动性指标。虽然总鞘脂（SPL）的比例在整个发育过程中保持相对不变，但主要SPL类别的比例在整个心脏发育过程中发生了明显变化：GM3占比逐渐下降，鞘磷脂（SMs）比例逐渐增加，表明随着心脏发育的进行，神经酰胺（Cer）优先用于SM生物合成，而不是复杂的鞘糖脂。

随着心脏发育的进展，脂质膜流动性增加。

为了确认心脏发育过程中线粒体特异性脂质变化，研究人员从各个发育阶段分离出线粒体和线粒体相连膜（MAM），共对27个类别的587种脂质进行了定量分析。与整个心脏脂质组相比，线粒体脂质组根据代谢状态明显分离。与基于全心脏脂质体的观察结果一致，随着发育的进展，线粒体长链多不饱和PC表现出增加，特别是那些含有DHA的PC。透射电子显微镜（TEM）成像显示，随着心脏的发育，脂滴（LD）和线粒体之间的接触点增加，而 Perilipin-5介导线粒体-脂滴间的接触，Perilipin 5在蛋白水平确实增加。线粒体CL组成在发育过程中随着代谢转变被重塑为携带更长（C76-C78）和更不饱和（C=C>9）脂肪酰基的物种（P7-P21），这可能有利于氧化磷酸化。

心脏线粒体脂质变化的发育模式

为了阐明在心脏成熟过程中介导CL和磷脂酰基链重构的潜在驱动因素，研究人员使用GPClust将已发表心脏发育动态基因（DDG）的变化模式与观察到的DDL进行了映射。转录组变化图谱结合脂质组的发现，水合酶亚基A（Hadha）、溶血磷脂酰基转酶Lclat1和Lpcat3分别是控制小鼠心脏发育中CL和磷脂动态重塑的候选驱动分子。此外，在观察到心肌线粒体DHA磷脂增加的同时，IMM上H⁺转运ATP合成酶的几个亚型（Atp5b、Atp5g1和Atp5a1）表达量也呈现出相同增加的趋势。

整合转录组学和脂质组学筛选，研究心脏发育过程中DDG和DDL之间的相关性。

线粒体是出生后心脏发育中代谢转变的生物学基础，研究人员使用TEM观察并量化发育过程中线粒体形态的变化，观察到线粒体内嵴的数量和紧密度随发育过程而显著增加。由于CLs对线粒体嵴的生物发生和结构形态至关重要，研究人员还探究了单个CLs的丰度与线粒体成熟指数之间的关系，发现那些与线粒体成熟指数呈负相关的主要CLs，由较短脂肪酰基C16:1组成，；而具有更多多不饱和脂肪酰基（C18:2、C20:3、C20:4）的较长CLs则呈正相关。负相关CLs的成分丰度在代谢转变前出生时达到峰值，而正相关CLs在代谢转变后达到最高。最后，免疫印迹分析验证了控制心脏发育过程中CL和DHA磷脂重塑的候选驱动分子的蛋白质水平。

心脏线粒体形态与发育过程中膜脂质变化的关系

综上所述，该研究表明，DHA磷脂的增加和CL不饱和度的增加是心脏成熟过程中控制结构和代谢适应的发育动态膜脂质特征。通过对小鼠心脏发育的产前和产后阶段的全局转录组学数据进行系统性整合分析，发现Lpcat3和Hadha、Lclat1分别是线粒体磷脂和CL重塑的关键分子驱动因素。该研究结果支持代谢的膜起搏器理论，强调了脂质膜动力学在决定细胞代谢中的关键作用。