雌激素相关受体介导HDAC3调节心肌脂代谢的机制研究

Metabolic remodeling underlies cardiomyopathy and heart failure. Histone deacetylases (HDACs) play important roles on environment-dependent myocardial remodeling. We have found muscle-specific HDAC3 knockout cause fatal heart failure only when mice are fed high fat diet, providing a unique model for dietary lipid-induced heart failure. In the proposed study, we will address how HDAC3 regulates myocardial lipid metabolism and mitochondrial function through estrogen related receptor (ERR). We will determine whether hyperlipidemia is the major causative environmental factor for myocardial remodeling; test whether heart-specific overexpression of ERR could rescue lipid-induced fatal heart failure; characterize molecular interplays between estrogen receptor (ER), ERR, and HDAC3 using Co-IP and ChIP in primary cardiomyocytes with adenovirus-mediated genetic manipulation; address the role of estrogen in lipid-induced myocardial remodeling using ovariectomy and hormone replacement approaches; investigate how estrogen and ERR regulates cardiac lipid metabolism using ChIP-seq and RNA-seq. Our study will provide novel insights into epigenomic mechanisms of how HDAC3 regulates myocardial lipid metabolism through ERR, which has profound clinical implications given availability of many small molecule estrogen modulators and HDAC inhibitors.

代谢重构是研究心力衰竭的新靶点，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）对环境相关心肌重塑有重要作用，我们已发现肌肉特异性敲除HDAC3（MCH3-KO）可导致高脂饮食所诱发的心衰。本项目拟在前期建立MCH3-KO小鼠基础上，明确脂代谢异常可致心肌代谢重构，阐明HDAC3可影响心肌线粒体功能；Co-IP检测HDAC3敲除后雌激素受体（ER）存在状态；结合启动子基因工程及FLEX系统的重组AAV载体技术，特异性诱导心肌过表达雌激素相关受体（ERR），在体验证ERR是否介导HDAC3调节心肌脂代谢；利用腺病毒shRNA载体，建立小鼠心肌细胞原代培养的体外HDAC3敲除体系，研究HDAC3对ERR、ER与DNA相互作用的调控机制；建立小鼠去势及激素替代模型，结合ChIP-seq及RNA-seq，探讨雌激素在小鼠ERR相关脂代谢调控中的作用机理；以期揭示HDAC3通过ERR信号通路影响心肌脂代谢的表遗传机制。

组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂在临床前心脏病模型中发挥有益作用，而HDAC缺失在基因小鼠模型中却表现为对心脏的有害影响，表现出的作用不一致。为此，进一步深入的机制研究中，我们重点研究了HDAC家族中的HDAC3来解释这个长期存在的问题。我们发现，在高脂饮食（HFD）喂养后，与野生型（WT）小鼠相比，心脏特异性HDAC3敲除小鼠的心肌收缩功能异常加重，但舒张功能异常有所改善。相反，在不影响HDAC3蛋白表达的情况下，仅仅消除HDAC3的酶活性，可防止由HFD引起的心肌舒张功能障碍，但不会影响心肌收缩功能。转录组分析结果显示，在HDAC3敲除或其酶活性缺失时，均可上调抗氧化和抗凋亡基因，但仅在HDAC3敲除时下调脂代谢基因。该转录调控是以心肌细胞自主的方式进行的。HDAC3敲除引起的脂代谢改变，可由酶活性缺失的HDAC3突变体纠正，但不能由缺乏与核膜蛋白层相关多肽2β（LAP2β）相互作用的HDAC3 突变体纠正。心脏特异性的敲除雌激素受体阻碍HDAC3对脂代谢基因的调控。这表明HDAC3对脂代谢的调控不依赖酶活性，却依赖LAP2β和雌激素受体。相比之下，HDAC3敲除时抗氧化和抗凋亡的变化均依赖于酶的活性。HDAC3敲除和HDAC3酶活性缺失都能防止压力超负荷引起的舒张功能障碍，但只有HDAC3敲除会加重主动脉的收缩。这些结果揭示了HDAC3通过调节脂代谢在收缩功能中发挥酶活性非依赖性作用，以及HDAC3通过调节氧化还原稳态和细胞死亡在心肌舒张功能中发挥酶活性依赖性作用。这些发现有助于HDAC抑制剂在肥胖或高血压患者舒张性心功能不全治疗中的应用。