Aging Cell|纤维连接蛋白III型结构域5可改善小鼠与衰老相关的心功能不全

Aging Cell|纤维连接蛋白III型结构域5可改善小鼠与衰老相关的心功能不全

简介：

       2022年2月15日，衰老领域权威期刊Aging Cell在线发表了题为“Fibronectin type III domain-containing 5 improves aging-related cardiac dysfunction in mice（纤维连接蛋白III型结构域5可改善小鼠与衰老相关的心功能不全）”的研究论文。文章探究了FNDC5在衰老相关心功能不全中的作用及深入的潜在机制，为老年性心脏疾病提供了一种较为可靠的治疗思路。

研究背景：

       衰老是心血管疾病的重要危险因素，与衰老相关的心功能不全是老年人群发病率和死亡率的主要决定因素。在老年人群的血清和心脏样本中，包括IL-6和TNF-α在内的多种炎性细胞因子水平升高，但通过抑制炎症来治疗衰老相关的心功能不全是合理的。AMP激活的蛋白激酶α(AMPKα)具有超越代谢调节的多效生物学功能，在控制炎症和心脏稳态方面发挥着关键作用。纤连蛋白III型结构域5(FNDC5)是一种I型跨膜糖蛋白，可在羧基末端进行蛋白水解加工以释放鸢尾素，作为一种运动反应性肌因子可对不同的病理刺激（如心脏重塑、缺血）提供心脏保护。

研究思路：

       l 确定衰老小鼠的FNDC5的表达情况

       l 探究FNDC5与衰老相关心功能不全的联系

       l 心脏重塑功能研究

       l 炎症相关研究

       l 关联AMPKα通路

       l 鸢尾素治疗效果研究

研究结果：

01  FNDC5的下调与衰老相关的心功能不全

       首先测定了衰老小鼠血清和心脏中FNDC5的表达，衰老小鼠的血清鸢尾素水平显着降低，心脏组织中的FNDC5表达也明显降低。在小鼠心脏中特异性过表达FNDC5后，FNDC5蛋白水平增加，而血清鸢尾素丰度没有显着影响；舒张功能障碍是心脏衰老的一个关键特征，过表达后舒张末期(LVIDd)或收缩末期(LVIDs)明显减弱；SAβ-gal阳性细胞的数量增加程度减速；保留了衰老心脏的端粒长度；明显抑制褐脂质（一种衰老相关色素）的积累；包括p16、p19和p21在内的衰老标志物的蛋白质表达水平也明显降低。因此，FNDC5可减轻与衰老相关的心功能不全。

02  FNDC5阻断与衰老相关的心脏重塑

       衰老相关心功能不全的关键特征和决定因素是心脏肥大和间质纤维化，衰老小鼠显示出心脏肥大增加（图2a-c），具体通过细胞面积和心脏重量与胫骨长度(HW/TL)的增加来表现。当FNDC5过表达之后，这种心脏肥大的增加被明显阻断，肥大标志物（心钠素(Anp)、α-肌球蛋白重链(α-Mhc)和β-Mhc）的mRNA水平降低也出现了降低的现象。同时，FNDC5过表达显着抑制了衰老心脏中的胶原蛋白沉积，如胶原蛋白体积、胶原蛋白1α1(Col1α1)和Col3α1 mRNA水平降低。这些发现表明FNDC5阻断了与衰老相关的心脏重塑过程。

03  FNDC5抑制衰老相关炎症反应

       前期研究发现，低度慢性炎症与衰老相关的心功能不全之间存在直接关联。IL-6和TNF-α在FNDC5过表达的心脏中的增加降低，白细胞向小鼠心脏的浸润增加被抑制。NF-κB是协调各种炎症基因转录的节点信号效应器，FNDC5过表达显着降低了NF-κBp65的磷酸化和核转位。衰老相关的NLRP3、ASC的上调被FNDC5降低，同时抑制了心脏caspase-1的活性，并且伴随着衰老心脏中IL-1β和IL-18水平的降低。

ROS过度产生与NLRP3炎性体的激活有关，DHE染色数据显示FNDC5过表达显着降低了小鼠心脏中与衰老相关的氧化应激，敲除NLRP3后FNDC5对端粒长度和心脏脂褐质积累的保护作用被消除。因此，FNDC5介导的抗衰老心脏保护作用需要抑制NLRP3炎性受体。

04 FNDC5通过激活AMPKα预防与衰老相关的心功能不全

       AMPKα是一种长寿相关分子，在控制炎症和心脏稳态方面发挥着关键作用。FNDC5过表达后，AMPKα和下游ACC的磷酸化增加，显著提高了衰老心脏中的AMPKα活性。为了获得证据表明AMPKα激活是FNDC5在衰老小鼠中的抗炎和心脏保护作用的原因，使用了Ampkα2全身性敲除小鼠，Ampkα缺乏完全消除了FNDC5过表达介导的对NLRP3炎性体的抑制，FNDC5过表达也未能抑制Ampkα缺陷型衰老心脏中的NF-κB活化，阻断了FNDC5过表达介导的对衰老小鼠心脏肥大和纤维化的抑制。FNDC5通过激活AMPKα来预防与衰老相关的心功能不全。

05 FNDC5通过阻断GLP-1R的溶酶体降解激活AMPKα

       整合素家族成员，尤其是ITGAV和ITGB5，是鸢尾素在骨细胞和脂肪细胞中的潜在受体，同时敲低ITGAV和ITGB5也阻断了FNDC5介导的对糖尿病心肌病的保护作用。鸢尾素对TNF-α刺激的AMPKα活化和抗衰老作用不受ItgaV/b5沉默的影响。探索FNDC5是否通过GLP-1R激活AMPKα，鸢尾素处理显着保留了TNF-α处理的NRCM中的GLP-1R表达，GLP-1R在TNF-α处理的NRCM中的膜定位也增加，减少了NRCM中的GLP-1R降解。Fndc5的敲低在TNF-α刺激后显着加速了GLP-1R的降解。用蛋白酶体抑制剂或溶酶体抑制剂治疗NRCM，E-64d和亮肽素都阻止了TNF-α处理的Fndc5缺陷型NRCM中的GLP-1R降解，表明GLP-1R的表达和膜定位增加在鸢尾素处理的NRCM中，可能继发于对其溶酶体降解的抑制。FNDC5通过阻断GLP-1R的溶酶体降解来激活AMPKα。

06 鸢尾素的输入治疗减轻与衰老相关的心功能不全

       我们接下来研究了输注外源鸢尾素是否会减轻小鼠与衰老相关的心脏功能障碍，减少了衰老心脏中SAβ-gal阳性细胞的数量，抑制了衰老引起的心脏肥大和纤维化。与表型改变一致，衰老标志物的蛋白质水平显著降低，，改善了与衰老相关的收缩和舒张功能障碍。所有这些数据表明，鸢尾素的输入治疗可减轻与衰老相关的心脏功能障碍。

(总结)

       在长期暴露于各种危险因素和内在的衰老后，与衰老相关的心脏功能障碍表现出独特的流行病学、组织学和生物学特征。作者团队通过研究，证明FNDC5过表达显着减弱了心脏重塑以及衰老心脏的收缩和舒张功能障碍。FNDC5过表达还减轻了与衰老相关的氧化应激，伴随着NLRP3炎性体的抑制减少了心脏炎症，Nlrp3缺陷小鼠中失去了抗衰老的心脏保护作用，通过激活AMPKα来改善与衰老相关的炎症和心脏功能障碍，下游的更加深入的机制仍有待于进一步探究。

（点评）

       心血管疾病是老年人死亡的主要原因，而与衰老相关的心功能不全给整个社会带来了重大的经济负担。在本篇研究中，作者团队测试了FNDC5在治疗和预防策略中对衰老相关心功能不全的可行性，证明FNDC5的心脏特异性过表达或鸢尾素治疗可显着抑制心脏炎症，从而减轻衰老小鼠的细胞衰老和心脏功能障碍，为提供老年人群心血管的健康支持治疗新靶点提供了理论和实践依据。

（网址）

       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/acel.13556