脂滴及其相关蛋白对糖尿病心肌脂毒性影响的研究进展2024.docx

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1、脂滴及其相关蛋白对糖尿病心肌脂毒性影响的研究进展2024摘要糖尿病心肌病是指持续高血糖状态导致的心肌结构和功能重塑。糖尿病心脏对脂肪酸的摄取持续增加，超出对脂肪酸氧化的能力后，过剩的脂肪酸合成脂质和脂质中间体在心肌组织内异位蓄积，最终引发心脏结构和功能的一系列病理改变，即心肌脂毒性。脂滴是负责储存中性脂质的细胞器，并通过生长与降解过程调控脂质合成与分解代谢，是维持脂质稳态，实现能量代谢平衡的关键环节。糖尿病心脏内观察到的大量的脂滴累积说明脂质代谢异常，导致脂毒性加剧。该文综述了脂滴与心肌脂毒性的关系，并总结了脂滴相关蛋白在调节脂质代谢中的作用。以期为重新调节糖尿病心脏脂质稳态，减轻心肌的脂毒性

2、，开发临床治疗糖尿病心肌病的药物提供新的潜在靶标。糖尿病心肌病(diabeticcardiomyopathy,DCM)是指排除了冠状动脉疾病、瓣膜病或高血压等其他心血管疾病的情况下，由糖尿病直接引起的心肌结构和功能改变为特征的一种特异性心肌病。通常表现为心肌纤维化和肥厚重塑、收缩与舒张功能障碍，严重者最终会发展至心力衰竭。流行病学研究显示，DCM导致发生心力衰竭的风险增加了25倍,而心力衰竭是糖尿病患者死亡的主要原因1。随着糖尿病患病率在全球范围内不断增长，DCM也成为威胁糖尿病患者生命健康的重要原因。糖尿病心脏对脂肪酸摄取增加以及脂肪酸氧化能力下降导致脂质蓄积，随后产生脂毒性导致细胞功能障碍

3、和死亡，最终导致整个心脏的功能结构障碍2脂肪分解过程能够防止合成的脂质蓄积,是抑制脂毒性的关键，并且有利于脂肪酸循环产能。脂滴作为脂质储存细胞器，被认为是调控脂肪分解的中心，对维持脂质代谢平衡至关重要。本文将对脂滴及其相关蛋白作用于糖尿病心肌的进展进行综述，希望为研究糖尿病心肌脂毒性发生发展提供一个新的思路。一、DCM脂毒性与脂滴稳态糖尿病心脏中未被氧化的过剩的脂肪酸主要合成甘油三酯(triacylglycerol,TG)含量相比于非糖尿病多出了1.52.3倍3,不断积累的TG最终由脂滴负责储存。脂滴形成于内质网，是以中性脂质为核心，外围镶嵌磷脂单层和各种蛋白质的一种脂肪储存细胞器，以随时响应

4、细胞能量需求。有研究倾向于认为它们是通过避免产生有毒分子如神经酰胺和活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)来缓冲脂肪酸毒性的成分。最新研究表明，脂滴可以与其他细胞器相互作用，通过发生和降解(脂肪分解或脂肪自噬)以响应各种刺激来调整脂肪酸含量，在动态化调节脂代谢稳态方面发挥着不可替代的作用4。脂滴发生与降解失衡导致脂质中间体增加，包括神经酰胺、二酰甘油(diacylglycerolzDAG)等在内的毒性中间体在心肌细胞中异位沉积，通过损害胰岛素信号级联加剧能量代谢障碍，激活炎症信号通路导致心肌炎症浸润，重塑线粒体结构破坏线粒体动力学导致氧化磷酸化受损，ROS在心脏聚集导致氧

5、化应激，最终诱发心肌细胞死亡，心肌纤维化以及微血管循环障碍等众多的病理性结构功能改变2。脂毒性的多重有害作用也是发生心力衰竭的很大一部分原因。健康心脏中几乎没有脂滴，但在糖尿病患者中观察到心肌细胞内明显增加的脂滴数量导致了心脏脂肪变性，对心肌细胞和收缩功能有害，被认为是心脏功能不断恶化的主要原因5。在糖尿病小鼠心肌细胞中发现通过增加催化脂滴生物发生的DAG酰基转移酶1和2的降解并减弱内质网应激反应，从而减少脂滴形成，能够使心肌收缩能力和心肌肥厚均得到明显改善6。因此，脂毒性的发展不仅是由于糖尿病心肌中游离脂肪酸的存在，而且还与脂滴稳态的改变有关。我们将基于脂滴的脂肪分解与脂肪自噬探讨脂滴如何作

6、用于糖尿病心肌。二、脂滴相关蛋白调节心脏脂肪分解脂滴相关蛋白(lipiddroplets-associatedprotein,LDAP)是位于脂滴表面或存在于细胞质中的多功能蛋白质组，参与脂滴的生长降解、膜转运、蛋白质降解以及信号传导等生理过程，从而对TG的合成与分解予以调控。机体能量和激素水平变化将激活脂解反应，刺激脂肪分解蛋白酶活化从而协调TG水解产能。具体指TG脂肪酶(adiposetriglyceridelipaseATGL)将TG水解为DAG,随后DAG由激活的激素敏感脂肪酶(hormone-sensitivelipase,HSL)水解生成甘油单酯，最终在甘油单酯脂肪酶的作用下完全水

7、解为甘油和游离脂肪酸作为最终产物。ATGL过表达已经被证明足以降低糖尿病诱导的心肌内TG水平，改善脂毒性和心功能不全，而HSL的激活又可以补偿ATGL的缺乏预防脂毒性心肌病的发生7。最近研究发现，心脏中检测到的某些其他LDAP能够与脂肪酶相互作用调节脂肪分解,可能成为干预DCM脂毒性的潜在治疗靶标。1.脂滴包被蛋白(perilipin,Plin)2:Plin是覆盖在脂滴表面最丰富的脂滴结构维持蛋白，通过形成物理屏障保护脂滴免受脂肪酶分解。其中Pi2在大多数非脂肪组织中表达，参与细胞内脂滴的形成，同时对脂滴的稳定和脂质储存起关键调节作用。对于心脏来说，Pin2的过表达将导致脂质积累而诱发心血管疾

8、病。例如Russo等8发现，Plin2水平与接受冠状动脉介入治疗后的心肌梗死患者发生微血管梗阻以及梗死大小独立相关，可能与Pi2上调导致巨噬细胞脂滴负荷增加，促使其转化成泡沫细胞，诱导动脉粥样硬化有关。Sato等9研究显示，过表达Plin2小鼠心脏中严重的脂肪变性将导致明显的心房间电传导减慢，诱发心律失常。Plin2表现出对HSL功能的抑制作用，研究发现，Pin2转基因小鼠心脏中HSL活性在喂养/禁食条件下均显著降低并导致脂滴大量累积，而通过禁食(ATGL增加)或者HSL过表达完全预防了脂肪变性倾向，尽管循环血浆中游离脂肪酸浓度较高，脂滴的积累仍会减少，而Pin2水平几乎不变，也证明能量应激会

9、促使Pin2加强脂肪酶对脂滴的亲和力10。最近通过降低过氧化物酶体增殖物激活受体C(PerOXiSomeproliferator-activatedreceptor,PPARa)特异性下调Plin2减弱了禁食诱导的心脏脂质积累，从而预防了氧化损伤和心脏肥大11,提示Pin2表达降低有利于脂肪分解，从而保护心脏免受脂毒性损害。同时PPARC的下调已经被证明有利于抑制脂肪酸的摄取,因此PPARRPlin2可能是调节心脏脂质摄取、储存与分解失调的有效通路。另有一项报道称Pin2参与了靶向脂滴的溶酶体自噬。在小鼠心脏和分离的原代心肌细胞中,Plin2的缺乏均导致参与自噬的微管相关蛋白1轻链3B(mic

10、rotubule-associatedprotein1Iightchain3B,LC3B)水平下降，脂滴与溶酶体的共定位减少，使TG水平增加，这表明Plin2缺乏减少了对脂质的降解12。因此，缺乏Plin2可能会影响底物的循环可利用性，导致心肌梗死后的心脏中每搏输出量和心输出量降低12,说明在代谢负荷较高的应激心脏中Pin2可能具有保护性。此外，有研究指出,Plin2上调有助于维持2型糖尿病(type2diabetesmellitus,T2DM)胰岛细胞的正常功能和胰岛素分泌13。这些研究说明，Pin2在脂肪分解中似乎具有双面性，可能和参与调节不同的脂解途径有关。2. Plin5:Plin5是

11、心脏组织中研究最充分的脂滴蛋白，在心脏的脂滴表面和线粒体中有高度表达。大量文献已表明心脏Pin5过表达导致了小鼠心肌脂肪变性和心功能不全。首先与Pin5抑制脂肪酶的水解活性并阻止了HSL向脂滴表面的易位有关，其次与Pin5过表达降低了线粒体脂肪酸氧化有关，容易造成心脏毒性脂质蓄积14。因此，敲除Plin5基因后发现糖尿病心脏中的脂滴数量明显减少，此外DAG和神经酰胺的积累减少抑制了对蛋白激酶(proteinkinase,PK)C/烟酰胺腺瞟吟二核甘酸磷酸氧化酶2的激活,从而减轻了ROS的产生保护小鼠免受心脏功能的下降15。相反的研究结果表明，Pin5敲除虽然减少了脂滴的形成，但却激活了PPAR

12、a,增加了心肌细胞线粒体脂肪酸的氧化，促进了线粒体增殖,这导致线粒体ROS产生过多从而加剧了心脏肥大和心力衰竭16o线粒体氧化负荷增加的原因与脂滴和线粒体之间的相互作用有关，Pin5是脂滴-线粒体相关联的桥梁，通过将脂滴释放的脂肪酸直接运送至线粒体氧化，一方面能够防止细胞中高浓度毒性脂肪酸蓄积。基于此，Wu等17利用乙酰胆碱分解沉积的脂滴，并通过激活Plin5加强了脂滴-线粒体关联从而减轻了棕幅酸诱导的心肌细胞线粒体功能障碍，成功抑制心肌细胞凋亡。另一方面,能够降低ROS的产生和氧化应激水平。有研究通过pi5过表达暂时减缓脂滴分解，加强了谷胱甘肽系统和核因子E2相关因子介导的抗氧化防御机制，减

13、少了脂肪酸过度氧化和线粒体裂变，达到防止脂毒性心脏功能障碍的目的18。值得注意的是这些研究还表明，尽管心脏出现了脂肪变性，却维持了正常的心脏功能和能量生产。因此，Pin5可能通过保留线粒体功能发挥心脏保护特性。最新的研究中也发现高脂喂养的糖尿病小鼠中，Pin5缺失或磷酸化导致脂肪酸的过量和ROS的过载以及一氧化氮合成降低，细胞凋亡增加最终加剧了心脏微血管损伤，并加重了舒张功能障碍19。这些研究说明，Plin5的低表达和过表达都可能对心脏造成双重结果，可能与不同的损害因素有关，仍需要进一步验证其在心脏疾病中的具体作用。3. a-0水解酶结构域5(alpha/betahydrolasedomain

14、5,ABHD5):ABHD5是ATGL介导的脂解过程中高度保守的调节因子。心脏中,激活的蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)刺激Plin5磷酸化从而促进ABHD5的释放，这是后者激活ATGL以及HSL酶活性并促进TG水解的先决条件，否则，Pin5将竞争性结合ABHD5导致脂肪酶活性抑制20。人类ABHD5基因突变被认为与中性脂质贮积病有关，其特征是大量含TG的脂滴在包括心肌的多个组织中异位蓄积。通过肌肉特异性敲除ABHD5基因的研究中表明，小鼠心脏中TG分解代谢缺陷和线粒体脂肪酸氧化受损，最终引起心脏脂肪变性，导致心功能不全和心肌纤维化重塑21。这一结果在Xie等22的研究中得到

15、进一步证实,同时他们的研究还显示，ABHD5的缺乏通过内质网应激介导心功能障碍,内质网应激信号依赖于激活C-Jun氨基末端激酶、C/EBP同源蛋白以及半胱天冬酶-12途径触发糖尿病心肌细胞凋亡，并诱导过度自噬损害线粒体功能，三磷酸腺苗产量降低从而驱动压力过载下的心脏肥大和心力衰竭23。报道称糖尿病小鼠心脏中脂滴合成增加，同时ABHD5表达水平降低导致脂滴降解减少，可能会加剧心肌脂肪变性和氧化应激,从而促进心肌细胞凋亡24。另外，在脂肪分解过程中，ABHD5具有独立于ATGL的功能。JebeSSa等25证明了ABHD5在体内和体外均具有丝氨酸蛋白酶活性，心脏特异性过表达ABHD5通过切割响应PK

16、A信号的表观遗传调节因子-组蛋白脱乙酰酶4(histonedeacetylase4lHDAC4),产生蛋白质水解产物HDAC4的N端多肽(HDAC4-NT),HDAC4-NT反过来抑制肌细胞增强因子2,从而防止了脂质超负荷诱导的心力衰竭。提示ABHD5可能作为治疗心脏脂肪变性的新治疗靶点，且不排除ABHD5还有其他蛋白水解底物协同作用于心脏保护。药理实验通过ABHD5内源性和合成配体直接破坏前者与Plin5的相互作用,在受体依赖性的PKA传导受损前提下,能够独立刺激TG的完全水解。这些研究说明，ABHD5很可能是PKA激活缺陷的糖尿病心脏中调节脂肪分解的核心位点26。4.先天性脂肪营养不良基因

17、2型(Berardinelli-SeipcongenitalIipodystrOPhy2,BSCL2):BSCL2最初被定义为先天性全身脂肪营养不良基因突变的2型，编码一种内质网跨膜保守蛋白Seipino它可以作为分子支架与甘油-3-磷酸酰基转移酶、I-酰基甘油-3-磷酸酰基转移酶、磷脂酸磷酸酶等协调参与脂质生成和转移,促进脂滴生物发生。此外,调节内质网钙稳态和线粒体代谢有助于脂质储存27。研究发现，BSCL2缺失充分触发了环磷酸腺昔/PKA信号途径介导的脂肪分解和氧化，导致脂肪细胞TG的含量明显降低28。研究发现，心脏中敲除BSCL2后，ATGL蛋白在心脏中的稳定性和表达增加，总的TG水解酶

18、活性也一致上调，使心肌细胞脂质组明显下降29,说明BSCL2缺失能够加速脂肪的分解。但部分报道表示完全敲除或者心肌特异性敲除BSCL2的心脏中不存在脂质积累或脂毒性，却仍然触发了心脏代谢异常，类似于DCM的胰岛素抵抗和左心室肥厚伴舒张功能障碍。Joubert等30发现，运用钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂治疗减轻葡萄糖超负荷之后，0-连接-N-乙酰葡萄糖胺糖基化蛋白水平显著降低并改善了心脏不良表型,说明胰岛素抵抗引起的高血糖可能是BSCL2敲除小鼠心功能不全的主要触发因素。另一研究指出，心肌特异性敲除BSCL2导致脂肪酸氧化过度激活和明显的心脏脂质重塑，脂质分解代谢过度最终会导致心肌细胞底物耗竭和

19、能量缺乏31。研究还显示，通过ATGL的部分失活抑制TG周转率后，逆转了BSCL2基因缺失心脏中的胰岛素抵抗，纠正了底物代谢并改善了收缩功能障碍,确定了ATGL是BSCL2调节相关心肌病的下游靶点29。这些研究结果支持了BSCL2缺失通过脂肪营养不良和胰岛素抵抗诱导了心肌病发生。基于这些研究我们推测适当上调BSCL2的表达或许能够改变糖尿病心脏相关的功能障碍，适当下调或许能够降低糖尿病心肌脂质蓄积。但有关BSCL2在健康和病理心脏中如何表达的相关研究较少，有必要做更多的研究以探究其具体的作用机制。综上，通过LDAP作用于脂肪分解有利于清除心肌脂质蓄积，改善脂肪变性以及随后导致的心功能不全。需要

20、注意的是，过度脂肪分解可能导致线粒体代谢功能障碍以及心肌细胞内源性底物的剥夺，出现能量耗竭的心力衰竭。因此需要继续明确如何通过精确调控相关作用脂滴蛋白将脂肪储存与分解维持在动态的平衡。三、LDAP调节心脏脂肪自噬脂肪自噬是自噬体识别吞噬待降解脂滴并将其运送至溶酶体，最终被酸性脂肪酶降解并释放出游离脂肪酸的生物过程。Singh等32发现自噬的抑制减少了脂滴向溶酶体的递送，脂肪分解减少导致TG与脂滴在肝细胞中蓄积，可能加重肝脏脂肪变性，明确了自噬是直接参与脂质代谢周转的一条重要途径。因此，脂肪自噬是动员脂质超负荷细胞中脂滴更新所必需的。相关研究发现，T2DM心脏内自噬液泡数量和LC3明显增加，通过

21、超微结构观察到T2DM心肌细胞中积聚了丰富的脂滴以及自噬体,然而却没有检测到成熟的自溶酶体和少量溶酶体33,这表明糖尿病心脏自噬通量降低，脂滴的自噬受到抑制。而脂质的异常增加反过来又损害自噬清除34,因此增强脂肪自噬可能通过减轻脂毒性保护糖尿病心脏。在脂肪自噬过程中，对待降解脂滴的识别由选择性自噬受体介导，他们标记目标脂滴并与自噬体膜结合，募集自噬体实现对脂滴的包裹吞噬。目前研究确定了包括P62、NBRLOPTNsHTT蛋白等自噬底物共用自噬受体可以作为脂滴受体35。除此之外，脂肪自噬可以识别独有的脂滴膜蛋白受体从而靶向脂滴以降解。研究将ATGL确定为哺乳动物的脂肪受体，基于ATGL能够直接与

22、LC3相互作用。心脏中，ATGL募集到脂滴除发挥TG水解活性外，还通过表现出LC3互作区(LC3-interactingregion,LIR)基序促进LC3与之结合，有助于自噬体识别并连接到脂滴表面同时单个LIR基序突变会破坏ATGL与脂质共定位并阻止脂肪分解，说明ATGL与LC3互作促进了脂肪自噬和脂肪分解协同作用从而实现最大效率的脂滴动员36。ATGL还通过调控哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mT0R)参与心脏自噬，mTOR信号通过磷酸化转录因子EB和下调自噬基因14来阻断脂肪自噬。Han等37发现，ATGL-Ko小鼠心脏中蛋白酶体催化亚基活性

23、的显著增强导致同源性磷酸酶张力蛋白(phosphataseandtensinhomolog,PTEN)降解，PTEN通过介导PKB-mTOR信号的激活加强了自噬抑制，从而促进压力负荷诱导的心肌肥厚重塑和功能障碍，这些效应最终被蛋白酶体激活剂或自噬激活剂逆转。表明ATGL参与调节心脏功能,与蛋白酶体-PTEN-mTOR自噬途径有关。此外，研究证明Pin2依赖腺苜酸活化蛋白激酶磷酸化后能够被伴侣介导的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)选择性地识别并降解38,脂滴表面去除这些蛋白质后能够促进细胞溶质脂肪酶的募集用于脂肪分解。同时，敲除Pin2有助于ATGL募集到脂

24、滴并启动自噬体对脂滴吞噬以递送到溶酶体进行降解,因此P2可能通过CMA诱导脂肪自噬。然而与另一项报道中的结果相反，他们发现心脏特异性敲除Pin2后TG水平增加，脂滴与溶酶体的共定位减少12。因此PIin2是否作为脂肪自噬的一个特异性识别受体尚不清楚，至少，Pi2对于启动脂肪自噬可能很重要。以上提示ATGL与Plin2同时调节了心脏脂肪分解和脂肪自噬,可能是心脏中潜在的脂滴受体。仅有的这些研究初步表明了LDAP激活脂肪自噬以抵消糖尿病心肌细胞中过量的TG或脂滴的可能性。LDAP可能在该过程中起关键作用，仍需要通过心脏特异性表达模型进一步明确，对它的研究有利于进一步剖析心脏中脂肪自噬的潜在机制，将

25、成为未来开发脂肪自噬特异性疗法的有希望的目标。综上所述，脂滴在维持脂质代谢稳态和调节心脏功能中具有重要作用。通过调节脂肪分解和脂肪自噬有益于防止糖尿病心脏因脂肪酸摄取、氧化与储存失衡产生的脂质毒性，因此针对脂滴的靶标研究似乎是治疗DCM的一个有前景的策略。LDAP在调节心脏脂质的生成、储存以及分解方面发挥关键作用，并且是脂肪自噬的最佳识别受体，通过LDAP调节脂滴稳态有助于减轻脂质毒性。近年来,研究在发现与表征脂肪分解所涉及的LDAP的作用方面取得了巨大进展，但事实上对于其如何影响脂滴的行为和功能从而调节脂质代谢的机制研究仍非常有限。本综述概述了心脏中目前检测到的且表征较好的LDAP,事实上，心脏中关于LDAP的探索研究仍处于初步阶段，未来基于该方向的研究或许对治疗类似于DCM的代谢性心肌病有重大意义。