线粒体炫异常在肥胖性心肌病心肌ATP稳态失调中的作用及机制

Recently, we found that mitochondrial flash (mitoflash), an energy consuming event at the single-mitochondrion level, is essential for the autoregulation of ATP production and homeostasis in normal cardiomyocytes. Mitoflash is triggered by Bcl-xL-associated proton leakage. However, we found that the ATP level is decreased and the ATP homeostasis is disrupted in cardiomyocytes from obesity cardiomyopathy, where mitoflash frequency are increased. These results suggested that the abnormal ATP is associated with the change of mitoflash activity. The disruption of ATP homeostasis increases the vulnerability of heart in stress conditions. The proposal is designed to study the role of mitoflash in the abnormal ATP in cardiomyocytes from obesity cardiomyopathy and its underlying mechanism using real-time imaging methods in live cells. First, the relationship between the abnormal ATP and the abnormal mitoflash activity will be evaluated in cardiomyocytes from obesity cardiomyopathy. Then, the changes of Bcl-xL and reactive oxygen species (ROS) and their regulation of mitoflash will be examined, and the role of these changes in the abnormal ATP will be explored. This study is aimed to decode the underlying mechanism of the disruption of cardiac ATP homeostasis in obesity. It will identify new strategy to improve cardiac energy supply and decrease cardiac vulnerability in obesity.

我们前期发现正常心肌细胞中Bcl-xL相关质子漏触发的线粒体炫（一种单个线粒体能量消耗事件）能够通过频调方式调控ATP合成和维持ATP稳态，且观察到肥胖性心肌病心肌中ATP合成减少、ATP稳态失调和线粒体炫频率增加，提示肥胖性心肌病心肌ATP异常可能与线粒体炫改变有关，但具体机制不清。无法维持ATP稳态是心肌在应激条件下易损性增加的关键原因，本研究拟利用活细胞实时ATP检测等技术研究线粒体炫改变在肥胖性心肌病心肌ATP合成减少和稳态失调中的作用及机制。首先明确肥胖性心肌病心肌ATP异常与线粒体炫及其调控分子（活性氧和Bcl-xL）变化之间的关系。进一步研究活性氧和Bcl-xL自身的改变及其对线粒体炫调控的改变，明确这些改变在肥胖性心肌病心肌ATP异常中的作用。本研究旨在从线粒体炫角度阐明肥胖性心肌病心肌ATP稳态失调的机制，为提高肥胖患者心肌能量供应稳态和降低心肌易损性提供新策略。

心脏区别于其它组织或器官的一个重要特征是其强大的能量代谢系统，表现为突出的ATP合成及其调控（维持ATP稳态）能力。心肌能量代谢异常是导致心脏功能紊乱的重要原因之一，并且心肌能量代谢可以作为防治心脏疾病的靶点。本研究的主要目的是从线粒体炫（单个线粒体解偶联事件）和心肌能量代谢转化的角度阐明心肌能量代谢异常的机制，为从能量代谢角度防治心脏疾病提供新的资料。我们的主要发现有：（1）线粒体炫是一种单个线粒体解偶联事件，并且该事件是由线粒体质子漏触发，引起线粒体膜通透性改变和线粒体ATP合成受阻（Biophys J 2016）；线粒体炫可感知心肌细胞ATP合成和消耗之间的平衡，如在细胞ATP合成>消耗时增加线粒体炫频率，从而调控ATP合成效率和维持ATP稳态。（2）肥胖小鼠（高脂饲料喂养12 wk）本底条件下心肌ATP水平正常，但在能量需要增加时（运动）ATP水平降低，即ATP稳态调节能力下降。同时，肥胖小鼠心肌线粒体炫活动异常，提示线粒体炫异常有可能是肥胖小鼠心肌ATP稳态失调的机制。肥胖引起心肌细胞Bcl-xL分子表达下降和氧化增加，使得Bcl-xL介导的线粒体质子漏调控异常，继而致线粒体炫频率调控异常和心肌细胞ATP失稳态。通过降低肥胖小鼠线粒体ROS或过表达Bcl-xL可以改善肥胖小鼠心肌ATP稳态。（3）心衰条件下（TAC模型）出现心肌对脂肪酸的利用降低和线粒体功能紊乱（能量代谢异常）。其中，线粒体分裂是线粒体的显著变化。重要的是心肌对脂肪酸的利用降低是导致心肌线粒体分裂和功能紊乱的原因。脂肪酸通过激活细胞内PPARγ信号增加YME1L表达；心衰时由于心肌对脂肪酸的利用降低使得YME1L缺失，致OPA1剪切出现异常，短链的OPA1在心肌细胞内堆积导致线粒体分裂。增加心衰时心肌对脂肪酸的利用能够改善线粒体动态和心肌细胞能量代谢，从而保护心脏功能（Cardiovasc Res 2018）。