心肌代谢重构在尿素通道蛋白B基因敲除导致小鼠发生心肌肥大中的作用机制

Urea transporters are membrane channel protein mediate the transmembrane transport of urea. In our previous work, we found that aging urea transporter B(UT-B) gene knock-out mice (52w) progress to cardiac hypertrophy. By 2-DE-based differential proteomic analysis, we found that glycolytic pathway and fatty acid β-oxidation related key enzyme presented significant changes in 16 weeks UT-B null mice. So we have proposed the hypothesis of cardiac hypertrophy in UT-B null mice--urea accumulation in cardiomyocytes caused by UT-B gene knock-out could lead to α-ketoglutaric acid consumption via Transamination, then, results to cardiac energy metabolism dysfunction. In this project, we will establish cardiac hypertrophy model by abdominal aorta banding technique, compare the energy metabolic changes after this operation between 16 weeks UT-B knock-out mice and wild type mice. The compare including measure of the content of α-ketoglutaric acid and glutamate in mitochondria, assessing the energy supply and mitochondrial function,analyzing the level and relative regulation factors (PPARα, ENOA, AMPK, ACADS) of glucose oxidation，fatty acid β-oxidation and glycolytic pathway. From this project, we want to prove above hypothesis, reveal the role of cardiac metabolic remodeling in cardiac hypertrophy promoted by UT-B gene knock out.

尿素通道蛋白可介导尿素快速跨膜转运，前期工作发现尿素通道蛋白UT-B基因敲除可导致小鼠发生随龄加重的心肌肥大，左室心肌差异蛋白组学结果表明，UT-B基因敲除小鼠糖酵解和脂肪酸β氧化关键酶表达发生变化，因此提出UT-B缺失使细胞内尿素堆积，NH3经转氨基作用消耗α-酮戊二酸导致心肌能量代谢障碍，引起心肌肥大的假说。拟对16周UT-B基因敲除小鼠实施腹主动脉缩窄手术建立心肌肥大动物模型，与野生型小鼠进行对比研究，测量心肌线粒体α-酮戊二酸和谷氨酸含量、心肌能量供应及线粒体功能，分析心肌细胞葡萄糖氧化、脂肪酸氧化和糖酵解水平及相应调节因子（PPARα、ENOA，AMPK和ACADS等）在模型建立前后的差异变化，进而验证上述假说，揭示心肌代谢重构在UT-B敲除导致小鼠发生心肌肥大中的作用机制，寻找防治心肌肥大的新的药物靶点。

本研究在前期发现尿素通道蛋白UT-B基因敲除可导致小鼠发生随龄加重的心肌肥大、心脏糖酵解和脂肪酸β氧化关键酶表达发生变化的基础上，对16周UT-B基因敲除小鼠（UT-B-/-小鼠）的能量代谢形式与野生型小鼠之间的差异进行系列研究，探讨UT-B基因敲除导致小鼠发生心肌肥大的机制。对UT-B-/-小鼠实施腹主动脉缩窄手术后，发现其在第4周时既较野生型小鼠更容易发生心肌肥大和纤维化；PCR array 芯片筛选分析糖代谢相关酶的表达情况，发现UT-B-/-小鼠心肌的糖酵解通路增强而三羧酸循环发生障碍，脂肪酸β氧化代谢降低而合成代谢增加，这种能量代谢形式的变化一方面导致心肌酸性代谢产物水平和心肌损伤标志物表达水平明显增加，另一方面可能为心肌肥大时的肌细胞体积变大提供物质保证。进一步研究发现UT-B-/-小鼠心肌细胞线粒体膜电位降低，ROS水平明显增高，线粒体功能障碍。线粒体差异蛋白质组学研究结果显示UT-B-/-小鼠心肌细胞线粒体电子传递链复合体I, III, IV和V的部分亚基蛋白表达水平和功能下降，这可能是心肌细胞线粒体功能下降、氧化应激水平增加和发生心肌肥大的主要机制。本研究结果显示，UT-B蛋白参与细胞内外尿素快速转运过程，细胞膜上缺失UT-B表达之后会导致心肌细胞内尿素浓度慢性蓄积，进而影响心肌细胞内的尿素循环、糖脂代谢和线粒体功能，可能通过这种代谢重构诱导肥大表型相关基因表达增加（还需要进一步证实）。本研究为心肌肥大的发生机制提供了新线索，为心力衰竭的防治提供了新靶点。