Science Advances：张文斌/尚敏/傅国胜揭示心脏重塑过程中脯氨酸代谢的重编程及其潜在的治疗意义

2024年5月，浙江大学医学院附属邵逸夫医院的研究人员在《Science Advances》（IF: 13.6）上发表了题为“Proline metabolic reprogramming modulates cardiac remodeling induced by pressure overload in the heart”的研究论文，揭示了脯氨酸代谢在压力超负荷诱导的心脏重塑中的作用及相关机制，为相关疾病的治疗干预提供了潜在的靶点。

亮点概述：

脯氨酸脱氢酶 (PRODH)的心脏特异性过表达对心脏功能具有保护作用并抑制不良心肌重塑。
促进脯氨酸分解代谢可以改善病理性心肌细胞的能量和氧化还原平衡。

研究背景：

在由持续高血压引起的心脏后负荷升高的早期阶段，心脏会经历心肌肥大（一种以心肌细胞异常增大为特征的病理状），随着心肌结构破坏、血液供应受阻和心脏功能受损，最终会导致心力衰竭（HF）或心源性死亡。目前，解决适应性不良心脏重塑的治疗选择仍然有限，揭示心脏肥大的病理机制并确定延迟或逆转心脏肥大的靶点可能为预防心衰铺平道路。

心脏结构重塑开始之前会经历代谢适应，以满足心脏肥大期间增加的能量需求。代谢重塑先于心脏功能障碍。调节心肌细胞的代谢重塑可以有效阻止重塑早期的病理进展。目前，心脏重塑过程中的氨基酸代谢是如何变化的，以及潜在机制仍需要进一步探索。

脯氨酸是一种非必需氨基酸，不仅是蛋白质合成的基础，而且还参与细胞生存和适应等多种细胞过程。既往研究阐明脯氨酸具有多方面的功能，包括参与氧化还原平衡调节和能量代谢调节，而上述代谢的变化可能与各种疾病的发病机制相关。脯氨酸脱氢酶(PRODH) 是调节脯氨酸代谢中的关键酶，其催化脯氨酸转化为吡咯啉-5-羧酸(P5C)，进一步转化为谷氨酸或鸟氨酸。先前已经已有研究注意到心肌重塑过程中脯氨酸代谢会发生显著变化。然而，脯氨酸代谢的改变与心脏功能之间的关系尚不明晰。

研究人员首先评估了PRODH在病理性心脏重塑中的相关性。通过两个公共RNA测序(RNA-seq)数据集：GSE141910和GSE133054，发现心力衰竭(HF)和肥厚型心肌病(HCM)心脏中PRODH的表达显著下调。接着，研究人员构建了小鼠主动脉缩窄的心脏压力超负荷模型，以及去氧肾上腺素（PE）刺激新生大鼠心室肌细胞（NRVM）的心肌细胞肥大模型，以模拟体外心肌细胞重塑。体内外结果一致表明，肥大心肌细胞中PRODH的表达水平均降低。

肥大心脏中PRODH表达降低

随后，研究人员构建了心脏特异性PRODH条件敲除（cKO）小鼠，发现PRODH缺失显著加剧了TAC诱导的心脏功能障碍，表现出射血分数（EF）和缩短分数（FS）降低，左心室腔扩张,心脏重量/体重（HW/BW）和心脏重量/胫骨长度（HW/TL）比率升高。此外，与同窝对照小鼠相比，TAC后cKO小鼠的心脏横截面积更大，纤维化水平更高，抗氧化能力受损更严重（还原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽（GSH/GSSG）比率下降更明显），一系列肥大标志物及纤维化标志物的mRNA水平均有所增加。研究人员进一步构建了心脏特异性PRODH过表达(AAV9-PRODH)小鼠模型，通过考察上述指标，发现心脏特异性PRODH过表达可保护心脏免受压力超负荷诱导的心脏重塑。

与之对应的，在PE刺激NRVM模拟心肌细胞肥大的体外模型中，观察到PRODH缺失会加剧心肌细胞肥大和氧化应激，而PRODH过表达具有相应的保护作用。

心脏特异性过表达PRODH减轻压力超负荷下心脏不良重塑

为了探究PRODH 过表达在压力超负荷诱导的心脏重塑背景下的心脏保护作用，研究人员对接受TAC或假手术且心脏特异性PRODH过表达的小鼠的成年小鼠心肌细胞（AMCMs）和心脏组织进行RNA测序。发现PRODH过表达抵消了TAC诱导的AMCMs及心脏组织中多个基因的上调/下调。KEGG分析显示，TAC促使心脏代谢发生显著变化，涉及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解减少、碳代谢、丙酸代谢、以及AMCMs中的柠檬酸循环（TCA循环）。值得注意的是，这些代谢紊乱在很大程度上被PRODH过表达所逆转。此外，发现PRODH过表达减轻了与心脏模型相关的几个关键生物过程的增强表达，例如粘着斑、细胞外质(ECM)-受体相互作用和吞噬小体。这些结果表明，PRODH在减少TAC引起的结构重塑中起着至关重要的作用。

脯氨酸可以代谢转化为谷氨酸，然后脱氨基为α-酮戊二酸进入TCA循环。基因集富集分析（GSEA）结果证实，PRODH过表达后，TCA循环在AMCMs和心脏组织中显著富集。进一步的非靶向代谢组学分析证实，PRODH的过表达增强了心肌细胞对脯氨酸的利用，而且还促进了TCA循环中间体的水平。这些发现表明，TAC抑制脯氨酸分解代谢和随后的TCA循环，而心肌细胞中PRODH的过表达可以抵消这些影响，并通过重编程脯氨酸代谢来恢复正常的TCA循环。

PRODH过表达有效的重编程了TAC诱导的心脏代谢变化

研究人员进一步比较了PE刺激引起的代谢变化以及PRODH过表达或敲低对PE诱导的心肌细胞肥大的代谢影响。与上述结果相似，PRODH过表达诱导的代谢重编程恢复了心肌细胞肥大中的TCA循环。最后，研究人员探究了PRODH过表达对线粒体呼吸链和TCA循环的影响。结果发现过表达PRODH可以上调OCR和ATP合成。同位素标记实验表明，心肌细胞中PRODH的过表达导致源自脯氨酸的TCA循环中间体升高，与PE刺激无关。因此，通过促进脯氨酸的回补使用，PRODH过表达有效地促进了脯氨酸的利用，并进入TCA循环，从而增强肥大心肌细胞中的线粒体呼吸。