研究背景
组织的代谢灵活性决定了炎症挑战期间器官损伤的程度和可逆性。然而对于败血性心肌病（SCM）的心肌代谢功能障碍，目前尚无有效的治疗方法。近期上海交通大学医学院附属第一人民医院李俊、刘少稳团队在Nature Communications (IF 15.7)上发表文章“Cardiomyocyte mitochondrial mono-ADP-ribosylation dictates cardiac tolerance to sepsis by configuring bioenergetic reserve in male mice”，发现MacroD1抑制通过增强Ndufb9蛋白的单ADP核糖基化来保留心肌细胞的线粒体复合体I（MCI）活性和生物能量储备，从而减轻败血症诱导的心肌焦亡和功能障碍。
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基因信息 MacroD1：单ADP核糖水解酶
病毒产品 Ad-GFP,Ad-MacroD1
实验细胞 新生大鼠心肌细胞（NRCMs）
MOI 50
WB表明Ad-MacroD1成功在心肌细胞表达
结果展示
1. 心肌细胞MacroD1基因敲除使心肌耐受败血症
作者发现心肌细胞MacroD1上调与SCM有关，为了研究MacroD1在SCM中的作用，作者构建了MacroD1心肌细胞特异性敲除（cKO）小鼠。实验发现LPS（脂多糖）处理导致对照小鼠产生25%的死亡率，但cKO小鼠均存活，对照小鼠中的心肌抑制以及循环LDH和cTnT的升高在cKO小鼠中被MacroD1基因敲除显著抵消。此外LPS诱导对照小鼠心脏中髓过氧化酶阳性中性粒细胞显着增加,并伴随着胶原沉积和肌成纤维细胞激活，但在cKO小鼠中这些病理改变减轻。作者还进行了盲肠结扎和穿孔手术以模拟菌血症引起的心功能障碍，发现cKO小鼠的存活率和心脏功能相比于对照小鼠得到显著改善。cKO小鼠中心肌损伤标志物的循环水平以及心肌炎症浸润和肌成纤维细胞活化的强度较低，凸显了MacroD1在SCM中的重要性，表明其对心肌损伤具有抵抗力。机制研究发现代谢途径的保留，尤其是线粒体氧化磷酸化，与cKO介导败血症耐受性密切相关，MacroD1下调能在内毒素血症应激下维持生物能量过程。
图1 心肌细胞MacroD1基因敲除使心肌耐受败血症
2. MCI亚基Ndufb9是cKO诱导的生物能量保存的基础
作者研究了MacroD1失活依赖性能量代谢的关键介质。发现cKO小鼠中MCI活性提高，并抵消了IPS诱导的MCI和MCV的抑制。MacroD1的过表达增加了LPS处理的AC16人心肌细胞中的线粒体ROS，并进一步抑制了MCI活性和ATP产生。MacroD1中Macro结构域的缺失保留了AC16细胞的线粒体功能，暗示Macro结构域在MacroD1依赖性线粒体功能中的重要性。之后作者通过蛋白质组学鉴定了261种差异富集的蛋白质，并鉴定出三种与MCI功能相关的蛋白质，发现仅Ndufb9显示出单ADP核糖基化，免疫沉淀进一步验证了MacroD1和Ndufb 9之间的相互作用，并证明Macro结构域介导MacroD1与Ndufb9的结合。进一步研究发现Ndufb9-R173的单ADP核糖基化对于MacroD1抑制介导的线粒体稳态抵抗败血症损伤至关重要。
图2 MCI亚基Ndufb9是cKO诱导的生物能量保存的基础
3. cKO阻断心肌细胞中MCI功能障碍和炎症损伤
细胞生物能量状态调控炎症反应，作者分析了MacroD1介导的线粒体代谢是否影响败血症中NLRP3炎性小体的激活和心肌细胞的焦亡。LPS或CLP处理诱导cKO小鼠和对照小鼠中血清IL-1β和TNFα的相当增加，但在cKO小鼠心脏中，凋亡相关斑点样蛋白、NLRP3、IL1β、IL18和TNFα mRNA的表达降低。此外蛋白质印迹检测显示，cKO小鼠中焦亡介质、cleaved caspase-1和GSDMD、炎性小体成分NLRP3和ASC以及促炎细胞因子TNFα下调，转移到线粒体的ASC和NLRP3蛋白水平显著降低。心肌中的免疫沉淀和离体成年小鼠心室心肌细胞的邻位连接试验进一步表明ASC与NLRP3蛋白的结合减少。LPS处理的NRCM中也出现了类似的现象，这些结果强调了MacroD1在败血症期间调节心肌细胞NLRP3炎性体的启动和激活。
图3 cKO阻断心肌细胞中MCI功能障碍和炎症损伤
实验结论
本研究发现心肌细胞MacroD1的遗传和药理学抑制都会加剧心肌代谢损伤、炎症、功能障碍以及盲肠结扎和穿孔引起的死亡风险。在机制上，MacroD1抑制通过增强Ndufb 9单ADP核糖基化来保留心肌细胞的MCI活性和生物能量储备，从而减轻败血症诱导的心肌焦亡和功能障碍。表明MacroD1阻断可以保护心脏免受败血症的侵害，有望特异性预防SCM。