转录因子FoxO3调控乳鼠心肌再生的作用机制研究

Mammalian heart, especially in adulthood, is incapable of regenerating after injury. That is why the mortality is very high for cardiovascular disease. Transcription factor FoxO3 plays important roles in regulation of cell cycle, apoptosis and metabolism. Previous studies have indicated that FoxO3 may play an important role in cardiovascular disease. However, the involvement of FoxO3 in postnatal cardiac regeneration and related mechanism remain unclear. Our previous studies have demonstrated that proliferation of cardiomyocyte is significantly increased in postnatal heart when FoxO3 gene is global or cardiac-specifically knocked out, compared with wild type mouse. Based on these findings and related research progress, we hypothesize that FoxO3 may mediate postnatal cardiac regeneration through regulating cardiomyocyte proliferation. This program will make use of the mice models with global and cardiac-specific knockout and overexpression of FoxO3 gene, the apical resection model of neonatal mouse, and the evaluation technologies for cardiac regeneration, cardiac function and cardiomyocyte proliferation as well as target gene analysis including RNA-seq, ChIP-seq and luciferase reporter gene system, to further explore the molecular and cellular mechanism by which FoxO3 regulates postnatal cardiac regeneration, thereby identifying some key targets regulated by FoxO3. The expected evidence from this program will provide novel theory and therapy targets for cardiac regeneration.

成年哺乳动物心脏缺乏有效再生能力是导致心血管疾病高死亡率的主要原因，而初生乳鼠则能有效修复受损心脏。转录因子FoxO3具有调控细胞周期、细胞凋亡及代谢等多种生物学功能。申请人及他人的前期研究均提示：FoxO3与心血管疾病密切相关。但其对乳鼠心脏再生的调控作用和机制仍然不清楚。申请人前期系列研究表明：敲除FoxO3基因能有效促进乳鼠心肌细胞的增殖效应。基于上述发现与最新研究进展，我们建立了“FoxO3可能通过调控心肌细胞增殖效应，进而介导乳鼠心脏再生能力”的研究假想。本项目将利用FoxO3基因的全身、心肌特异性敲除及过表达小鼠模型，结合乳鼠心尖切除模型，心脏再生能力及心功能评价技术，心肌细胞增殖检测及RNA-seq、ChIP-seq、荧光素酶报告基因系统等靶点分析技术，深入阐明FoxO3介导乳鼠心脏再生的分子与细胞学机制，并甄别出关键调控节点，从而为有效干预心脏修复与再生提供新的理论和疗法。

心血管疾病是影响人口健康的重大致死疾病，目前仍无理想的根治药物及疗法。其主要原因是成年哺乳动物的心脏缺乏有效的再生能力。申请人及他人的前期研究均提示：FoxO3与心血管疾病密切相关，但其对乳鼠心脏再生的调控作用和机制仍然不清楚。本项目利用乳鼠心脏再生模型，重点开展了以下研究：（1）敲除FoxO3基因对乳鼠心肌再生的影响和机制研究；（2）过表达FoxO3基因对乳鼠心肌再生的影响和机制研究；（3）FoxO3对关键调控靶点的调控机制及其功能验证。我们的研究结果表明：（1）体外敲降FoxO3基因的表达能促进乳鼠原代心肌细胞的增殖水平；（2）乳鼠心肌损伤后FoxO3蛋白的活性降低；（3）体内敲除FoxO3基因表达能有效促进乳鼠心肌细胞的增殖水平；（4）敲除FoxO3基因表达能抑制乳鼠心肌细胞的大小并提升心肌细胞的数量；（5）敲除FoxO3基因能促进单核心肌细胞的比例；（6）敲除FoxO3基因能促进乳鼠心脏细胞周期调节相关基因的上调，细胞生长负向调节基因的表达下调。上述研究结果进一步提示：FoxO3对乳鼠心肌细胞的增殖及损伤心肌的修复与再生具有重要的调控作用，有望为损伤心肌的修复与再生提供新的干预靶点。依托本研究项目的实施，项目负责人已经以通讯作者在npj Regen Med、Aging Cell、FASEB J、J Cell Physiol、Sci Rep等期刊上发表标注本基金资助的SCI论文7篇；授权发明专利3项；后续获批国家自然科学基金面上项目1项（82070257）；已培养2名博士研究生和4名硕士研究生毕业。本项目研究过程中所建立的细胞及动物模型，以及相应的分析技术与平台，将为后续深入研究乳鼠心脏再生机制奠定基础。