心肌细胞细胞质和细胞核PKA对蛋白质量的控制在心肌肥大和失代偿中的作用

Pathological cardiac hypertrophy (PCH) is an important contributor to heart failure and cardiac arrhythmias but to date there is no effective treatment for PCH. This proposal aims to delineate the roles of cytosolic and nuclear PKA and its counteracting endogenous inhibitor peptide (PKI) in regulating protein synthesis, degradation and quality control (proteostasis) during PCH development and decompensation. Our preliminary study showed that after pressure overload, the expression of endogenous PKA inhibitor peptide (PKI) was reduced and it was almost completely lost in the nucleus, suggesting that during PCH cytosolic and especially nuclear PKA activity is increased . Cardiomyocyte specific PKA inhibition blunted PCH and reduced protein synthesis and degradation simultaneously, thus maitining protein quality. Thus, we hypothesize that during compensated cardiac hypertrophy, activated cytosolic PKA simultaneously increases protein synthesis and degradation to ensure protein quality but during decompensated stage, less cytosolic PKA activation but more prominent nuclear PKA activation lead to suppressed protein degradation, protein quality deterioration and heart failure probably through inhibiting the expression of genes involved in protein degradation, i.e., the genes in the autophagy-lysosome system and the ubiquitin-proteasome system; β-blockers exert their protective effects at least partially through reducing PKA activation. The study will use genetic mouse models combined with gene therapy to test this novel hypothesis and have a trial to treat PCH in mice.

病理性心脏肥大（PCH）是导致心衰和心律失常的重要原因，但目前为止没有有效的治疗方法。本项目旨在阐述在病理性心脏肥大发展和失代偿过程中，由细胞质和细胞核PKA、PKI调节的蛋白合成、降解及质量控制（蛋白稳态）的作用。我们的前期研究发现心脏压力负荷后，心肌细胞的内源性PKA抑制肽（PKI)表达降低且从细胞核中转出，提示心肌细胞质尤其是核PKA可能被过度激活。心肌细胞特异性抑制PKA可以减少小鼠压力负荷引起的心肌细胞蛋白合成和分解，而维持蛋白质量和心脏功能。我们假设在代偿性期，肥大心肌细胞的较强的细胞质PKA激活同时增加了蛋白合成和降解从而保证了蛋白质量，而在失代偿期较少的胞质内PKA激活而更多的核PKA激活导致蛋白降解的抑制、蛋白质量恶化以及心力衰竭；β-受体阻滞剂通过降低PKA激活而发挥它们的部分保护作用。本研究将使用基因工程小鼠模型联合基因疗法来检验以上新颖假设并尝试治疗小鼠PCH。

病理性心脏肥大（PCH）是导致心衰和心律失常的重要原因，但目前为止没有有效的治疗方法。本项目旨在揭示细胞质和细胞核 PKA 调节蛋白降解及质量控制在心肌肥大中的作用和机制，尝试用基因治疗方法抑制细胞特定区域内 PKA 治疗 PCH，为 PCH 的治疗提供新手段。研究采用野生型小鼠、PKIα敲除小鼠和PKIα1-25-GFP转基因小鼠，结合升主动脉狭窄这一高血压手术模型和体外培养的新生大鼠心肌细胞这一体外模型探究PKA 调控心肌肥大的新机制，并利用腺相关病毒（AAV）载体介导的PKA抑制建立基因疗法，为心肌肥大的防治提供了新靶点以及为利用AAV治疗心肌肥大提供了方法基础。研究在遵照基金委的批复按申请书的计划展开并已顺利完成。研究明确了心肌肥大过程中蛋白合成/降解和蛋白质量控制的新机制：PKA 通过调节 mTORC1 而调控蛋白合成，通过调节泛素-蛋白酶体系统的关键分子 Rpn26而调节蛋白降解。PKA 的抑制在整体上抑制了蛋白质的合成，也同时抑制了蛋白的降解，达到了新的蛋白降解和合成的平衡，维持了蛋白质量。这一过程抑制了心肌细胞肥大，为细胞节省了能量消耗。并成功地用AAV在小鼠心脏以心肌特异性表达了抑制PKA的PKI-GFP，并成功地预防高血压模型主动脉狭窄（TAB）引起的心肌肥大，甚至逆转TAB已经引起的心肌肥大。更进一步，利用AAV介导细胞质PKA抑制，也能达到抑制甚至逆转TAB诱导的心肌肥大但AAV介导的核PKA抑制使TAB后心肌肥大更严重且结构和功能更差。研究达到了预期的研究目标。本项目在实施的过程中发表了 6 篇大会摘要。但是文章尚未发表，主要考虑是该课题产生的文章能达到心血管研究领域高水平的杂志，如 Circulation 等，因此一直在完善数据。现数据分析、整理基本完成，正在撰写论文，文章有望在 2021 年投出发表。在项目实施过程中，已培养一个能够开展扎实的基础和转化研究的团队。