Core functional nodes and sex-specific pathways in human ischaemic and dilated cardiomyopathy
人体缺血性和扩张型心肌病的核心功能节点和性别特异性途径
期刊：Nat Commun；影响因子：12.121
发表单位：悉尼大学等
导 读
由于无法获得人类心脏组织，阻碍了心力衰竭分子基础的理解进展。在2020年6月发表在《Nature Communications》的一项研究中，获得了44例在移植过程中被切除的心脏衰竭样本，使用了蛋白组和代谢组测量数千种蛋白质和其它小分子。通过将心脏疾病和晚期心力衰竭与来自未患病心脏的组织进行了比较，并结合年龄、性别和BMI信息，确定了两种类型的心力衰竭（缺血性心肌病，ICM；扩张型心肌病，DCM）常见且独特的变化，并深入了解了心脏中许多重要过程的变化，包括为心脏产生能量的机制、处理损伤的机制、凝血机制以及维持结构完整性的过程。重要的是，发现了男性和女性心脏衰竭心脏之间的差异。
摘 要
在心力衰竭（HF）的研究中，人类左心室心肌的可及性差是一个重要的限制。本篇研究收集了来自人类心脏生物库中的冷冻左心室心肌样本，以获得对缺血性心肌病（ICM）和扩张型心肌病（DCM）的直接分子了解，这些是世界范围内心衰最常见的原因。研究对44颗超低温保存的人类ICM和DCM心脏的51个左心室（LV）样本进行无偏性的深层蛋白质组学和代谢组学分析，并与年龄、性别、BMI匹配、组织病理学正常的供者对照进行比较。研究指出，ICM心脏中的血清淀粉样蛋白A1蛋白显著降低，甲状腺激素信号通路受到干扰，氧化还原酶辅因子核黄素5-磷酸和糖酵解果糖6磷酸都显著降低；揭示HF的性别特异性变化，包括一氧化氮相关的精氨酸代谢、线粒体底物以及X染色体连锁的蛋白质和代谢物变化；并提供交互式在线应用程序作为公共资源。
前 言
心力衰竭是遗传易感性与环境触发因素之间复杂相互作用的结果。心脏移植的两个主要原因是缺血（ICM）和扩张型心肌病（DCM），检验DCM和ICM移植心脏的功能基因组特征的研究通常集中在上游域，包括基因组、转录组分析，并已提供了对人类心脏衰竭分子变化的见解，包括细胞外基质重塑、炎症信号、氧化应激、线粒体功能障碍和支链氨基酸代谢等。然而，缺少在翻译到蛋白质水平以及进一步通过酶促加工到代谢物水平向下游传播的更广泛了解。该研究筛查了大量心力衰竭样本，并与年龄、性别和BMI的组织病理学正常对照相匹配，从而确定了蛋白质和代谢途径水平上ICM和DCM的扰动。
研究概要
1 患者特征
第一部分是对样本来源患者信息和病理学特征的描述。Donor、ICM和DCM组的年龄和BMI相似。性别分布在Donor中较为平均，ICM和DCM组的男性百分比都增加了，这与这些疾病的流行病学保持一致。所有HF患者均为NYHA III/IV级，左心室收缩功能严重受损（射血分数降低）。
2 ICM和DCM的蛋白质组学
蛋白质谱分析鉴定出3264种蛋白质，其中33个以上的样品中定量了2614个。ICM与Donor之间以及DCM与Donor之间分别有185和377种蛋白质的差异表达。核心蛋白质组由153个在ICM和DCM中均受调节的蛋白质组成。血清淀粉样蛋白A1（SAA1）在ICM和DCM中均被下调最多；骨糖素（OGN）显著上调，它在细胞外基质中起重要作用，并促进心脏的胶原沉积和纤维形成；与心脏间充质分化相关的周球蛋白（POST）在ICM和DCM中也显著上调。
似乎样本PCA聚类的效果并不是很好，这提示不同病理学心肌病之间蛋白表达比较相似，差异可能仅体现在少部分蛋白上。尽管如此，作者仍分别比较了差异并展开描述，在原文中可以看到两组的相似点很多。
ICM中主要的差异蛋白包括血清淀粉样蛋白A1（SAA1）、细胞外基质相关蛋白等，它们在DCM中也存在差异，表明常见的重构途径。与心肌缺血后的纤维化重塑一致，ICM患者中大量胶原蛋白水平升高，类似的过程也在DCM中观察到。转铁蛋白在ICM和DCM中显著增加，表明铁沉积是相关致病过程。类似于ICM，血管性血友病因子在DCM中显著增加，可能表明血小板粘附参与疾病过程。
3 ICM和DCM的代谢组学
靶向代谢组学分析用于揭示两种心肌病共有的一组核心调节代谢产物。与Donor相比，ICM和DCM中最重要的差异代谢产物是黄素单核苷酸，表明氧化应激是两种病理的突出特征。线粒体的另一种底物2-甲基丁酰肉碱在ICM和DCM中均具有最大的倍数变化降低，表明线粒体应激和心肌底物利用率发生变化（酰基肉碱将脂肪酸转运到线粒体中进行氧化）。
与蛋白组相比，代谢组的PCA聚类明显区分了病理组织和对照。但两种心肌病之间仍无明显界限，作者试图从二者仅有的少数分子差异入手讨论重要的可能与疾病相关的代谢物。
ICM和DCM中，具有心肌细胞成熟和再生能力的甲状腺素显著增加。生物素是各种代谢途径中的辅助因子，同样观察到升高。糖酵解的中间体6磷酸果糖（心脏衰竭的主要能量来源）显著降低，表明在两种病理中糖酵解中间体的消耗量均增加。ICM中血清素释放增加，血清素是一种在血小板中高度集中的代谢物，这可能反映了ICM中的血小板激活。cAMP是缺血性心肌中心肌能量和流量分布的重要第二信使调节剂，在ICM中升高。以及缬氨酸显著增加，这可能反映了这种支链氨基酸（一种已知的心脏底物）的利用率发生了变化。
4 途径分析
随后为了联合蛋白组和代谢组的功能调控，对ICM和DCM均在蛋白质和代谢物水平上进行了通路富集。两种疾病中，分别在蛋白质和代谢物水平激活9条和10条通路，包括甲状腺激素的合成、碳水化合物的消化和吸收、雌激素信号传导途径、醛固酮调节的钠重吸收，揭示了晚期心力衰竭中调节的一组核心通路。在ICM和DCM中最重要的通路之一是氧化磷酸化，突显了能量调节的核心作用。TCA循环、碳水化合物代谢和丙酮酸通路在ICM中特有激活，脂肪酸延长/脂肪生成、胆固醇代谢和脂肪消化在DCM中更显著。
5 网络分析
构建蛋白质和代谢物的网络，并划分模块后做功能富集，用于识别关键的调控节点以帮助寻找在心肌病中重要的调节蛋白或代谢物。在ICM中有一个与细胞外基质紧密相关的模块，表明它们在ICM心肌重构中的重要性。一组紧密相关的补体和凝血节点，以及几个细胞骨架和免疫节点，它们受到较少的共同调节。虽然细胞骨架节点没有紧密聚集，但它们的大小表明它们确实发挥了重要的网络影响。在DCM中，存在许多共同调控的细胞外基质蛋白，突显了这种疾病中细胞外重塑的重要性。网络中还存在大量的补体/凝血成分，细胞骨架和免疫节点的数量少于ICM。
6 性别特异性的差异蛋白和代谢产物
考虑到心血管疾病对治疗的反应在不同性别中表现出不同，最后作者试图研究蛋白质和代谢物的性别特异性差异。在通过性别独立于疾病的差异蛋白分析中，唯一的差异蛋白是EIF1AY（真核翻译起始因子1 A），一种由Y染色体上的基因编码的蛋白。通过检查ICM和DCM中的蛋白与性别的互动，男性心脏中的AP1M1蛋白显著减少，蛋白FRY显著降低，X染色体编码的蛋白HNRNPH2仅在雄性ICM心脏中显著升高。就代谢物而言，ICM中具有性别相互作用的主要代谢产物是组氨酸，在男性心脏中增加，这也是DCM中具有性别相互作用的主要代谢产物。在男性ICM和DCM心脏中，线粒体底物甲基丁酰肉碱显著降低，ATP降低。这些证据均支持了男性和女性心脏衰竭心脏之间的差异，在未来可能有助于临床治疗。
讨 论
这是首次对人ICM和DCM心肌进行全面下游组学筛查的研究，并与组织病理学进行了适当匹配，除了为心力衰竭研究人员创建了蛋白质组代谢的资源外，还确定了关键的疾病途径。研究证实了ICM和DCM中已建立的发病机制，包括许多ECM蛋白的改变、心脏重塑的公认特征以及血管性血友病因子和5-羟色胺的ICM改变以及凝血级联的组成部分，突出了ICM的动脉粥样硬化性发病机理。报告了心力衰竭心肌中已建立的病理学通路中的扰动，例如纤维化重塑和氧化应激，并证实了局部心脏甲状腺代谢的扰动。最后强调关于性别与心力衰竭相互作用的新颖见解。