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利用功能缺失模型阐明了内源性硫氧还蛋白-1的病理生理作用

硫氧还蛋白-1(Thioredoxin-1,Trx1)是细胞内一种重要的巯基-二硫键氧化还原酶,在细胞内氧化还原状态的调控及抵抗氧化应激损伤过程中发挥重要的作用。Trx1的心脏保护作用已通过Trx1的心脏特异性过表达和Trx1显性负效应得到证实。Trx1完全性基因敲除小鼠的胚胎在妊娠3.5d死亡(E3.5),因此Trx1在早期胚胎发育中起着至关重要的作用。部分由于早期胚胎的致死性,内源性Trx1的病理生理作用还没有用功能缺失模型来阐明。

 

2019年10月4日,美国罗格斯大学新泽西医学院的Junichi Sadoshima课题组在Cardiovascular Research杂志上发表了题为“Thioredoxin-1 maintains mitochondrial function via mTOR signaling in the heart”的文章,使用心脏特异性的Trx1敲除小鼠(由赛业生物构建)首次证明内源性Trx1在维持心脏功能和氧化还原平衡中发挥着重要的作用,并赋予心脏抗压的能力。Trx1在心脏中的保护效应主要通过体内mTOR的降低来介导。

 

Trx1通过特定的底物或结合蛋白调节细胞信号转导,包括凋亡信号调节激酶1(ASK1)、磷酸酶张力蛋白同源物(PTEN)、Ⅱ型组蛋白去乙酰化酶(HDACs)、半胱氨酸蛋白酶、AMP活化蛋白激酶(AMPKIN)和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)。Trx1通过直接结合对ASK1负调控;而Trx1则通过还原特定半胱氨酸残基来维持PTEN、Ⅱ型HDACs、AMPKα和mTOR的功能。Ⅱ型HDACs在预防心肌肥大方面发挥着重要的作用,而AMPKα和mTOR则具有抗压作用。

 

mTOR是包括mTORC1和mTORC2的蛋白质复合物中的进化保守的丝氨酸/苏氨酸激酶和催化亚单位,其调节细胞生长、存活和mRNA翻译。此外,mTOR通过调节核编码的线粒体基因的转录和翻译在线粒体能量的产生中起着至关重要的作用。Junichi Sadoshima课题组之前的研究已经证明mTOR是Trx1的主要底物之一。在培养的心肌细胞中,在过氧化氢(H2O2)的存在下,Cys1483通过分子间生成二硫键抑制mTOR,而Trx1可以阻止mTOR的抑制。表达mTOR-C1483F(一种抗氧化突变)的细胞,可防止mTOR中H2O2诱导的分子间二硫键形成,从而抑制mTOR和下游信号传导机制,包括线粒体基因表达。因此,在Cys1483中通过氧化抑制mTOR,而Trx1保护mTOR免受氧化和失活。然而,在没有外源氧化剂(如H2O2)的情况下,单独下调内源性Trx1是否在Cys1483处诱导氧化尚不清楚。此外,Trx1-mTOR途径(Trx1的多个靶点之一)在基线和应激期间调节心功能和代谢方面的重要性从未被体内实验证实。

 

于是研究人员就构建了心脏特异性的Trx1敲除小鼠,Trx1cKO小鼠存活,但中位生存期为25.5天。它们发生心力衰竭,表现为收缩功能障碍、心肌肥大、纤维化增加和凋亡细胞死亡。多种标志物一致表明氧化应激增加,RNA测序显示能量产生相关基因下调。这些小鼠的线粒体形态异常明显。虽然杂合子Trx1cKO小鼠没有表现出任何显著的基线表型,但是加重了压力超负荷引起的心功能障碍和代谢基因的下调。在Trx1CKO小鼠中,mTOR更容易被氧化,mTOR底物如S6K和4EBP1磷酸化受损。证明心脏内源性Trx1对于心脏功能、动物存活和线粒体功能是不可缺少的。

 

心脏特异性的Trx1敲除小鼠心脏变大、收缩功能障碍

图1. 心脏特异性的Trx1敲除小鼠心脏变大、收缩功能障碍

 

体内和体外实验表明,通过Cys1483对Trx1介导的mTOR调节在维持线粒体功能方面起着至关重要的作用,因此代表了在心肌细胞中介导内源性Trx1功能的主要信号通路。

 

Trx1通过阻止mTOR在Cys1483处的氧化来部分维持mTOR的功能,从而维持代谢基因的表达

图2. Trx1通过阻止mTOR在Cys1483处的氧化来部分维持mTOR的功能,从而维持代谢基因的表达

 

总之,该研究首次证明Trx1在基线期维持成年心脏中的泵血功能和氧化还原平衡,并具有抗压作用。通过无偏基因表达分析(unbiased gene expression analyses),进一步证明内源性Trx1是代谢基因表达的重要介质。目前的研究表明,体内心肌细胞特异性下调内源性Trx1的主要导致线粒体功能障碍。此外,该研究还发现Cys1483的mTOR氧化可介导Trx1下调引起的心肌细胞线粒体功能障碍。

 

原文检索:

Thioredoxin-1 maintains mitochondrial function via mTOR signaling in the heart.

DOI:https://doi.org/10.1093/cvr/cvz251.

 

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