4E-BP1调控翻译起始影响心肌肥厚和心力衰竭的分子机制研究

Cardiac hypertrophy is an adaptive response to pressure or volume stress, which is characterized by an increase in cell size and enhanced protein synthesis. It is one of the most important risk factors for most cardiovascular disease. Eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1(4E-BP1) is a protein synthesis repressor though inhibiting the assembly of cap-dependent translation initiation machinery. Our preliminary studies demonstrated that 4E-BP1 knockout profoundly attenuated the cardiac fibrosis and dysfunction induced by pressure overload, however, the effects of 4E-BP1 on the cardiac response to stress and the development of congestive heart failure are totally unknown. In order to determine the role of 4E-BP1 in cardiac hypertrophy and heart failure, in this project we will use 4E-BP1 knockout mice, adenovirus vector and siRNA method to study the modulation effects of 4E-BP1 on heart failure, illuminate the effects of 4E-BP1 on cardiac hypertrophy signaling pathways, fibrosis, mitochondrial biogenesis, energy metabolism and cell apoptosis, and further explore the detail mechanism of how 4E-BP1 regulate the translation initiation of its target genes IRF-7 and SERCA2a. Our data will reveal the role of 4E-BP1 in cardiac hypertrophy and provide a novel therapeutic approach for treating congestive heart failure.

心肌肥厚是心脏对压力负荷的适应性反应，以心肌细胞蛋白质合成的增加和细胞体积的增大为主要特征，是引起多种心血管疾病的重要危险因素之一。真核翻译起始因子4E结合蛋白4E-BP1能够通过抑制帽子依赖方式翻译起始复合物的组装而抑制蛋白合成。我们在前期研究中发现敲除4E-BP1可以明显改善压力超负荷导致的心肌纤维化和功能失常，但4E-BP1如何影响心肌肥厚和心力衰竭的具体分子机制还不清楚。本项目将利用4E-BP1基因敲除小鼠以及腺病毒转染和基因沉默技术，在动物和细胞层面研究4E-BP1对心力衰竭的调控作用，阐明4E-BP1对心肌肥厚信号通路、纤维化、线粒体生物合成和能量代谢、细胞凋亡的作用，并进一步探讨4E-BP1对靶基因IRF-7和SERCA2a的翻译调控作用的分子机制，为心力衰竭的临床治疗提供新的靶点和理论依据。

蛋白合成增加是心肌肥厚的重要特征之一。真核细胞起始因子结合蛋白(Eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein , 4E-BP)是mTOR的第一个下游底物，可以抑制与真核翻译起始因子4E(eukaryotic translation initiation factor 4E，eIF4E)相关的翻译启动，在蛋白质合成的起始阶段起重要的调控作用。通过本项目的研究，我们发现，主动脉缩窄(TAC)引起的心肌肥厚过程中，4E-BP1的蛋白表达显著上调，同时伴随着Serca2a的表达下调。在小鼠中敲除4E-BP1/2能够减少TAC手术引起的小鼠死亡，也能够有效缓解TAC引起的心功能失常、心肌纤维化和氧化应激。进一步研究发现，敲除4E-BP1/2能够上调PGC-1α，并在应激状态下维持心肌线粒体稳态和氧化还原平衡。我们还发现，敲除4E-BP1/2能够通过促进SERCA2a的翻译速度来上调蛋白表达，从而维持应激状态下的心脏功能。上调PGC-1α和SERCA2a的蛋白表达可能是敲除4EBP1/2影响心脏功能的最重要的机制。我们还通过构建4E-BP1敲除的大鼠，进一步验证了我们的猜想。在项目执行过程中，我们也研究了4E-BP1的上游蛋白GCN2在阿霉素和糖尿病引起的心脏功能失常中的作用，发现敲除GCN2可以提高这两种模型中的心脏功能。我们还发现，GCN2及4EBP1相关另外一个蛋白DDAH1在肝脏脂质沉积和胰岛素抵抗中起着重要作用，在本项目的支持下，我们在Redox Biology、 Antioxidant Redox Signaling、Free Radical Biology Medicine等杂志共发表15篇SCI研究论文，均标注了基金的支持。总之，我们的研究结果揭示了4EBP及其上游GCN2在心肌肥厚和心力衰竭中的作用和分子机制。基于这些研究结果，我们提出，开发4E-BP及GCN2的特异性抑制剂可改善应激状态下心脏的功能，这也为心肌肥厚和心力衰竭的防治提供新的思路。