衛濤濤課題組與清華大學附屬北京清華長庚醫院合作揭示SIRT5對急性心肌梗死的保護機制
2021年7月22日，國際學術期刊《Frontiers in Cell and Developmental Biology》發表了中國科學院生物物理研究所與清華大學附屬北京清華長庚醫院合作完成的論文"Cardio-protective role of SIRT5 in response to acute ischemia through a novel liver-cardiac crosstalk mechanism"。合作團隊在小鼠模型中發現急性心肌梗死造模手術可誘導肝臟Sirtuin5（SIRT5）的表達水平升高，并促進一系列功能蛋白發生去酰基化修飾；在此基礎上通過CRISPR/Cas9基因編輯技術構建在肝臟中特異性過表達SIRT5的轉基因小鼠，發現過表達SIRT5的小鼠在急性心肌梗死后通過一種全新的肝臟-心臟相互作用機制，引起肝臟中FGF21的分泌入血增加，改善心肌細胞能量代謝，從而對急性心肌梗死發揮保護作用。
蛋白質酰基化修飾是主要發生于賴氨酸殘基的一大類蛋白質翻譯后修飾，以代謝中間產物（乙酰輔酶A、丙二酰輔酶A、琥珀酰輔酶A等）為反應底物。組蛋白的乙酰化修飾參與表觀遺傳學調控，代謝酶的乙酰化修飾參與細胞代謝重編程，而其它類型蛋白質酰基化修飾的生理及病理生理學作用尚有待揭示。在前期工作中，衛濤濤課題組與清華大學附屬北京清華長庚醫院張萍教授團隊合作，通過蛋白修飾組學技術發現急性心肌梗死患者的血清蛋白中，琥珀酰化修飾水平顯著低于健康志愿者，提示蛋白質琥珀酰化與急性心肌梗死密切相關，并有望成為早期診斷急性心肌梗死的特異性血漿標志物（Proteomics Clin Appl?2020）。SIRT5是重要的去琥珀酰化修飾酶，已有的研究結果表明與野生型小鼠相比，在小鼠心臟中特異性敲除SIRT5對急性心肌梗死沒有顯著影響，而全身敲除SIRT5顯著增加心梗面積，提示其它組織和器官中的SIRT5可能通過某種未知機制保護心臟。
本研究首先發現小鼠經急性心肌梗死造模手術后，其心肌組織中SIRT5的表達水平沒有改變，但肝臟組織中SIRT5水平卻顯著升高。為了證實肝臟SIRT5與急性心肌梗死之間的關系，合作團隊通過CRISPR/Cas9基因編輯技術構建了在肝臟中特異性過表達SIRT5的轉基因小鼠(Liver SIRT5 OE)。實驗結果表明急性心肌梗死造模手術引起Liver SIRT5 OE小鼠心肌壞死和心肌纖維化的程度顯著低于野生型（WT）小鼠，提示肝臟中高表達的SIRT5可能對急性心肌梗死具有保護作用。結合蛋白定量質譜和生物信息學分析，合作團隊發現Liver SIRT5 OE小鼠肝臟線粒體中糖脂代謝相關通路（三羧酸循環、脂肪酸β氧化、氧化磷酸化）若干重要限速蛋白的表達水平明顯高于野生型小鼠。
已有文獻報道FGF21可以通過肝臟-心臟相互作用在急性心肌梗死中發揮保護心臟的作用，但機制不明；合作團隊發現Liver SIRT5 OE小鼠在發生急性心梗后血液和心臟中FGF21水平均較野生型小鼠顯著增加，表明肝臟中高表達的SIRT5可在急性心肌梗死病理條件下促進肝臟中FGF21的分泌入血，并通過內分泌的方式作用于心臟組織，改善心肌細胞能量代謝并發揮心臟保護作用。此前，衛濤濤課題組與質譜平臺楊福全課題組、北京大學李婷婷課題組合作，首次報道了蛋白質丙二酰化修飾在代謝綜合征的發生發展中起關鍵作用（Mol Cell Proteomics?2015）、發展了預測低豐度蛋白質酰基化修飾的生物信息學工具（J Proteome Res?2016）；并通過構建轉基因小鼠模型，證明去酰基化修飾酶SIRT5可能是改善糖脂代謝紊亂的有效靶標（EBioMedicine?2018）。這一系列研究工作提示SIRT5激動劑可能是治療代謝綜合征和急性心肌梗死的潛在藥物。
清華大學附屬北京清華長庚醫院周博達副主任醫師、生物物理所博士生肖敏及胡昊（已畢業）為該論文的共同第一作者；生物物理所衛濤濤研究員、北京清華長庚醫院張萍教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等基金的資助，并得到了蛋白質科學平臺的大力協助。
圖1. （A）急性心肌梗死造模手術后小鼠肝臟中SIRT5蛋白的表達水平升高。（B）通過CRISPR/Cas9基因編輯技術構建肝臟特異性過表達SIRT5的轉基因小鼠 (Liver SIRT5 OE) 小鼠。(C)急性心肌造模梗死造模手術引起的心肌損傷顯著低于野生型小鼠。（D）急性心肌造模梗死造模手術引起的心臟纖維化顯著低于野生型小鼠。
圖2. (A) (B)急性心肌梗死造模手術后Liver SIRT5 OE小鼠血漿中及心肌中FGF21水平增加。（C）（D）比較定量蛋白組學及生物信息學分析結果顯示Liver SIRT5 OE小鼠線粒體中糖脂代謝相關通路（三羧酸循環、脂肪酸β氧化、氧化磷酸化）多種蛋白的表達水平顯著高于野生型小鼠。
文章鏈接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2021.687559/
供稿：衛濤濤研究組
