糖原磷酸化酶抑制对心肌缺血/再灌注损伤的保护作用及其机制

Excessive myocardial glycogen breakdown plays an important role in the pathology of myocardial ischemia/reperfusion injury. However, the molecular mechanisms of its regulation remain unknown. Our preliminary studies showed that inhibition of glycogen phosphorylase (GP), the key enzyme in the glucose metabolism pathway, results in the activation of Akt-GSK-3β signal pathway and the inhibition of intracellular glycogen breakdown, and exhibits the effective protection against myocardial ischemic injury. In this study, to further clarify the underlying mechanism of GP participation in myocardial ischemia/reperfusion injury, we intend to establish a GP knockdown HL-1 cell line, to observe the effects of GP on glycogenolysis, glucose utilization and lactate release in the oxygen glucose deprivation/reoxygenation model; to investigate the regulation of GP on Akt-GSK3β signaling pathway, and to discover and analyze the possible upstream transcription factors of GP. Furthermore, we plan to validate the protective effect of the GP inhibitor on mouse myocardial ischemia/reperfusion injury model, to elucidate the importance of GP-Akt-GSK3β pathway, which is closely linked with the regulation of glucose metabolism in myocardial/reperfusion injury. We expect that this study would provide experimental basis for clinical prevention and treatment in myocardial ischemia.

心肌糖原的过度分解参与了心肌缺血/再灌注损伤病理过程，但其调控的具体分子机制尚不清楚。本课题前期结果显示，抑制糖代谢途径中的关键酶——糖原磷酸化酶（GP）可激活心肌细胞Akt-GSK3β信号通路，抑制细胞内糖原分解，有效地对抗心肌细胞缺血/再灌注损伤。本研究中，我们拟建立GP敲低的HL-1小鼠心肌细胞系，在缺氧/复氧细胞损伤模型中观察GP对于糖原分解、葡萄糖利用和乳酸释放的影响；研究GP与Akt-GSK3β信号通路之间的调控关系；发现和分析GP可能的上游转录因子，以期深入阐明GP影响心肌缺血/再灌注病理进程的机制。进一步在整体水平验证GP抑制剂对小鼠心肌缺血/再灌注损伤模型的保护作用，从改善缺血细胞糖代谢的新角度阐释GP-Akt-GSK3β通路在缺血性损伤过程中的作用，为临床上心肌缺血的治疗和预防提供重要的实验依据。

心肌糖原的过度分解参与了心肌缺血/再灌注损伤病理过程，但其调控的具体分子机制尚不清楚。本课题前期结果显示，抑制糖代谢途径中的关键酶——脑型糖原磷酸化酶（pygb）可激活心肌细胞Akt/GSK-3β信号通路，抑制细胞内糖原分解，有效地对抗心肌细胞缺血/再灌注损伤。本研究中，我们通过利用小分子pygb抑制剂和建立pygb敲低的H9c2大鼠心肌细胞系，研究pygb在心肌缺血中的作用和相关机制。主要结果如下：1）在心肌细胞缺氧/复氧（OGD/R）模型中，抑制pygb可显著改善H9c2心肌细胞糖代谢，对体外OGD/R诱导的心肌细胞损伤具有保护作用；2）pygb抑制剂可激活心肌细胞Akt/GSK3β/HIF-1α信号通路，对抗心肌细胞凋亡和氧化应激损伤；3）在OGD/R和高糖诱导的心肌细胞损伤模型中，敲低pygb可上调HIF-1α和GLUT4表达，促进Akt/GSK3β信号通路激活，同时抑制NF-κB信号通路激活；4）对pygb敲低的心肌细胞系进行转录组测序分析，得到了1573个差异表达的基因，其中895个基因上调，678个基因下调。GO富集中大多数差异基因都富集到了与创伤/应激反应、炎症调节、细胞增殖等相关的过程中；KEGG 富集分析发现，pygb敲低后细胞粘附分子、TGFβ和TNF等信号通路中的基因表达发生明显变化；5）在大鼠心肌缺血/再灌注模型中，证实了pygb抑制剂能够显著改善模型大鼠心功能；减小心肌梗死体积，抑制心肌细胞凋亡，其保护作用与pygb抑制剂改善心肌细胞糖代谢并活化Akt/GSK-3β信号通路相关。我们的研究从改善缺血细胞糖代谢的角度阐释了pygb在心肌细胞缺血损伤过程中的作用和相关分子机制，有望为临床上心肌缺血的治疗和预防提供新的靶点。