衰老过程中心肌“AMPK-Atrogin-1-CHMP2B”信号通路对泛素化介导自噬的调节机制

Protein degradation function impairment is the subclinical basis of age-related cardiovascular disease, whereas the molecular mechanisims link between autophagy and ubiquitin/proteasome system under protein degradation disorder in aged heart remains to be elucidated. Our previous work identified that: (1) autophagosome-lysosome fusion was impaired in aged cardiomyocyte. (2) AMPK activation increased the ubiquitin ligases Atrogin-1 expression and consequently enhanced myocardial autophay, but the regulative mechanism remains unknown. (3) Conversely, myocardial specificity Atrogin–1 knockdown causes impairment of autophagy flux. (4) We also found CHMP2B, a key regulator of autophagosome-lysosome fusion, is probably the novel target of Atrogin–1. We hypothesize that AMPK-Atrogin-1-CHMP2B signaling pathway mediates the myocardial autophagy by targeting the cross-talk between the ubiquitin/proteasome system and autophagy system during cardiac aging. Impairment of this signal pathway may result in aging-related autophagic flux disorder. The aim of the project is to enhance our mechanistic understanding of the subclinical myocardial senescence. The present study will provide new therapeutic targets for age-related cardiovascular disease through ameliorating the aurophagy in aged heart.

蛋白质降解功能减退是衰老相关心血管疾病的亚临床基础；细胞自噬和泛素-蛋白酶系统在老年心肌蛋白质降解障碍中的分子联系仍待阐明。我们前期探索发现①衰老心肌自噬溶酶体囊泡融合障碍；②激活AMPK可上调衰老心肌E3泛素连接酶Atrogin-1并改善自噬功能，但机制不明；③反之，心肌特异性敲低Atrogin-1导致autophagy flux障碍；④调控自噬溶酶体囊泡融合的关键蛋白CHMP2B可能是Atrogin-1底物。据此我们提出自噬/UPS协同新机制：“AMPK-Atrogin-1-CHMP2B”轴调控心肌基础自噬；该机制受损导致衰老心肌功能性自噬流障碍。本研究拟通过模式动物及机能研究探讨衰老心肌自噬功能障碍新的调控机制，通过选择性干预实现从自噬诱导到囊泡融合环节联动的功能化自噬流调节。本研究不仅为“亚临床心肌老化”提供新的理解，还为改善衰老心肌自噬能力防治老年相关心血管疾病提供新的干预靶点。

蛋白质降解功能减退是心血管疾病的亚临床基础。细胞自噬和泛素-蛋白酶（UPS）系统在心肌蛋白质降解障碍中的分子联系仍待阐明。在心肌缺血/再灌注(MI/R)时，心肌自噬流出现功能障碍；自噬功能障碍可能加剧心肌I/R损伤。荷电多泡体蛋白2B (CHMP2B)是自噬所必需的转运核内体分选复合物（ESCRT-III）的一个亚单位。然而，CHMP2B在心肌自噬和MI/R损伤中是否具有反向调节作用尚属未知。本研究旨在阐明自噬/UPS协同新机制：“AMPK-Atrogin-1-CHMP2B”轴调控心肌基础自噬；该机制受损导致心肌功能性自噬流障碍并加重心肌I/R损伤。本研究通过整体动物实验和离体细胞学研究发现研究：在缺氧/复氧（H/R）处理的心肌细胞和MI/R小鼠中，心肌自噬流受到抑制，并且发现心脏中CHMP2B积累升高。进一步通过体内和体外实验证实，上调CHMP2B水平可抑制心肌自噬功能，显著加重心肌MI/R损伤，导致心肌缺陷易损。这一新发现表明CHMP2B虽然是自噬所必须的因子，但是过多的CHMP2B积累反而导致心肌自噬功能障碍，增加心肌缺血损伤的风险。本研究进一步发现二甲双胍通过激活AMPK可有效抑制CHMP2B的积累，改善H/R心肌细胞自噬功能障碍。激活AMPK可上调心肌中Atrogin-1(一种肌肉特异性泛素连接酶)的mRNA表达和蛋白水平。通过详细的相互作用实验证实，CHMP2B是Atrogin-1的泛素化降解底物。Metformin所激活的AMPK显著增强了Atrogin-1与CHMP2B的相互作用，从而促进CHMP2B在MI/R心肌的降解。最后，在整体动物上本研究证实二甲双胍通过AMPK调控Atrogin-1降解CHMP2B，抑制老年心肌中CHMP2B的积累，强化心肌自噬功能，抑制MI/R损伤和缺血易感性。本研究通过整体动物机能研究和分子生物学机制研究提供新发现：“CHMP2B积累反而损害心肌自噬功能”，为衰老心肌自噬障碍和缺血易损的信号机制研究提供了直接的分子生物学证据。本研究进一步发现了Metformin可通过AMPK-Atrogin-1-CHMP2B轴调控心肌自噬功能，将为心肌保护机制的临床转化提供新的依据。