亲联蛋白2-钙释放单位介导分子氢心脏保护作用的机制研究

Calcium overload is one of the major mechanisms of ischemia reperfusion (IR) injury, and junctohphilin2-calcium release unit (CRU) plays a key role in myocardial cell calcium overload. Our previous study demonstrated that hydrogen could alleviate the calcium overload in the IR process by selectively scavenging free radicals, and further studies have shown hydrogen could improve IR-induced changes in calpain I, which in turn affects junctophilin 2-CRU, suggesting that hydrogen may reduce calcium overload through improving the changes of junctophilin2-CRU during IR process. In this study, stimulated emission depletion microscopy (STED), single-particle cryo-EM, whole-cell patch clamp as well as laser confocal Ca2+ imaging techniques will be applied to explore the effects of hydrogen on calpain I and JPH2-CRU during IR process in the established rats model, and effects of JPH2 on CRU Spatial conformation, single channel open probability, sarcoplasmic reticulum calcium release and other abnormal calcium release events will be further studied to clarify the role of JPH2 during IR process. This study will help elucidate hydrogen’s protective effect on myocardium and lay the potential foundation for its clinical application.

钙超载是缺血再灌注（IR）损伤发生的重要机制之一，亲联蛋白2-钙释放单位在IR损伤引起的钙超载中发挥着关键的作用。我们前期研究显示：分子氢可通过选择性清除自由基缓解IR过程中的钙超载，进一步研究表明：分子氢在IR过程中可引起钙蛋白酶的表达变化，进而影响亲联蛋白2-钙释放单位的水平，提示分子氢可能通过影响亲联蛋白2-钙释放单位的变化减轻钙超载。本项目拟利用大鼠心肌IR损伤模型，采用受激发射损耗显微技术、单颗粒冷冻电子显微技术、全细胞膜片钳及激光共聚焦等技术手段，从整体、细胞及超微结构水平，进一步探讨分子氢在IR过程中对钙蛋白酶及亲联蛋白2表达变化的影响，重点研究亲联蛋白2对钙释放单位空间构象、单通道开放频率、肌浆网钙释放事件等钙释放活动的调控机制，明确亲联蛋白2在IR过程中调控钙释放单元的作用及方式。本研究有助于阐明分子氢发挥心肌保护作用的可能机制，为其尽早应用于临床奠定基础。

自由基大量产生、钙超载是缺血再灌注（I/R）损伤发生的重要机制之一，氢可以发挥心肌I/R损伤的保护作用，但具体作用机制尚不明确。本项目组成员曾在国内较早地利用不同的动物模型，对氢的生物学作用进行了研究，证实分子氢的保护作用部分是通过选择性清除自由基，进而减轻心肌细胞钙超载完成的，但具体作用途径尚不清楚。..本课题前期对人体心房肌组织标本及动物模型进行了研究，发现再灌注损伤可以导致钙蛋白酶I（calpain-I）和亲联蛋白2（JPH2）的mRNA和蛋白水平表达的变化，进一步研究显示，分子氢可以在再灌注过程中对calpain-I和JPH2的表达变化产生影响。为了进一步探究分子氢保护小鼠心肌缺血再灌注损伤模型的分子机制，我们构建了假手术组、I/R组、氢饱和生理盐水20ml/kg处理组的小鼠模型，并对缺血再灌注损伤的心肌组织进行了测序（包括circRNA、lncRNA及miRNA），发现了众多差异性表达的RNA。进一步通过功能验证分析，最终发现分子氢通过影响miR-124-3p表达，进一步干预calpain1及钙超载，进而发挥心肌缺血再灌注损伤的保护作用。..本课题研究进一步阐明分子氢对心肌I/R损伤保护的具体方式和途径，为分子氢尽早应用于临床治疗心肌I/R损伤奠定理论基础。尽管分子氢对于I/R损伤的治疗作用已在动物实验中得到证实，但由于其具体分子机制不明，因此临床试验尚未广泛开展。由于氢与自由基反应的产物是水，多余的氢可自动释放到体外；同时潜水医学的长期研究也证明呼吸一定浓度的氢对人体无明显毒性作用，因此临床上使用氢作为治疗药物完全有可能成为现实。结合氢气的制备方法非常成熟，价格低廉，如果分子氢将来成功应用于临床，并证明有良好治疗效果，可显著降低这类疾病的治疗费用。